WO2022087699A1 - Method, mechanical device and equipment for measuring the mass or weight of ferromagnetic bodies - Google Patents

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WO2022087699A1
WO2022087699A1 PCT/BR2021/050466 BR2021050466W WO2022087699A1 WO 2022087699 A1 WO2022087699 A1 WO 2022087699A1 BR 2021050466 W BR2021050466 W BR 2021050466W WO 2022087699 A1 WO2022087699 A1 WO 2022087699A1
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bodies
weight
electromagnet
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PCT/BR2021/050466
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Andre Garcia Lima SUETTI
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Tmd Friction Do Brasil S.A.
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Definitions

  • the invention deals with a method, a mechanical device and an equipment for measuring mass or weight, magnetic susceptibility or amount of ferromagnetic material or amount of iron in ferromagnetic bodies, as well as qualification, classification and selection of said ferromagnetic bodies, which offers techniques aimed at weighing, mainly the weighing of bodies that have ferromagnetic characteristics.
  • the invention also presents a solution for determining the magnetic susceptibility of said bodies, being particularly useful in the analysis of bodies made of composite materials. It also provides mechanisms for weighing bodies that are in motion, such as parts being transported on a conveyor belt. Therefore, the invention proposes simple, reliable, cheap and easy-to-produce mechanical devices to be used in conjunction with the proposed methods and equipment.
  • the invention proposes three new concepts interrelated with weighing: the so-called attract-measure-release solution, the solution here called electromagnetic equivalence and the one here called mass measurement by natural frequencies.
  • the method, mechanical device and equipment for measuring physical parameters of ferromagnetic bodies, objects of the present invention aim to propose to the relevant market a solution for the determination of the magnetic susceptibility of said bodies of solid materials, being particularly useful in analysis of bodies made of composite materials. It is also an object of the invention to weigh bodies that are in motion, such as parts being transported on a conveyor belt. To this end, the invention proposes simple, reliable, cheap and easy to use mechanical devices. production to be used in conjunction with the proposed methods and equipment, replacing traditional mechanical scales.
  • Mass is a scalar quantity that refers to the natural tendency of a body to oppose changes from its original state of rest or motion.
  • Weight P is a force, therefore, a vector quantity, which relates mass m to the local acceleration of gravity g, through the application of Newton's second law:
  • Figure 1 illustrates the primitive conception of a scale, composed of a lever system (1 ).
  • the balance consists of two plates (2) suspended each on one side (3) of said lever (1), the two sides (3) of the lever having generally equal distances to the fulcrum (4).
  • the working principle is based on equalizing the torque generated by the two sides (3) of the lever (1) at the fulcrum point (4), by adjusting the weights contained in the two plates (2), by checking the perfect horizontality of the lever (1), a condition that represents a zero torsional moment at the fulcrum (4).
  • the body to be weighed (“body”) (5) is placed on one of the plates (2) and, on the other plate (2), weights (6) of known values are placed.
  • Figure 2 shows the solution presented by Roberval, in which the simple lever (1) is replaced by a parallelogram mechanism (7) with two fulcrums (4) and with joints (8) in the column of the plates (2), which guarantees a vertical movement of the plates (2) and, consequently, eliminates the variation in weight due to the positioning of the body (5).
  • Richard Salter in 1770, invented the spring balance, which, based on the theory of elasticity, more specifically on Hooke's law in its minimum form, correlates the deformation of a spring with the weight of the body to be weighed. .
  • the concepts explored by Roberval and Salter served as the basis for many current concepts of electronic balances.
  • Load cell scales (“cell scales”) are electromechanical devices that emerged as a result of the invention of the strain gauge load cell which, in turn, emerged from the union of relevant inventions: the already explained concept of the scale of Salter, the Wheatstone bridge, the strain gauge and, occasionally, the Roberval mechanism.
  • the Wheatstone bridge invented in the 19th century by Samuel Hunter Christie and improved by Sir Charles Wheatstone, allows the reading of very small variations in resistance in a resistor or in a resistive circuit.
  • the strain gauge in turn, was invented in 1938 by Edward E. Simmons and Arthur C.
  • Electromagnetic compensation scales use a completely different concept to carry out weighing.
  • Figure 4 presents the basic concept (14), which was initially protected by Lee Cahn in 1963 (US3224517) where, in general terms, an electromagnet (15) generates a force to suspend the plate (2) on which the body is placed. (5), in order to reestablish the position of the plate (2) without load.
  • a positioning sensor (16) informs the control module (17) when the position is re-established.
  • the electrical power consumed by the electromagnet (15) when the position is re-established is proportional to the weight of the body (5) in addition to the plate (2).
  • US2012181094A1 A more recent application of the electromagnetic compensation technique is found in US2012181094A1.
  • the present invention contemplates a solution to the problem, through the design of devices with few components, without moving parts, cheap to be designed, optionally based on electromagnetic attraction and easily adaptable to conveyor surfaces that are already designed or installed.
  • electromagnetic attraction a premise for the application is that the body to be weighed has a ferromagnetic composition.
  • Variant A is the application of the “attract-measure-release” concept associated with weighing per load cell.
  • the invention addresses two new weighing concepts that are interrelated to the initial problem: the first new concept is based on electromagnetism, but it is not based on restoring the position of the pan, as is the case with electromagnetic balance scales, but it is based on an electromagnetic force directly equivalent to the weight of the body.
  • This new weighing concept is called electromagnetic equivalence.
  • electromagnetic equivalence When the “attract-me-and-release” concept is applied to the so-called electromagnetic equivalence, it is called “Variant B”.
  • the second proposed new weighing concept is called here mass measurement by frequencies natural, and is based on the analysis of vibrations of a mechanical system composed of a structure specially designed for this purpose fixed to the body.
  • Variant C When applying the concept “attract-measure-release” to the measurement by natural frequencies, it is called “Variant C”.
  • the main advantage of measuring mass by natural frequencies lies in the dynamic application of the invention: while traditional weighing concepts are negatively affected by a possible vibration of the body or the set, weighing by natural frequencies is positively affected by such a circumstance: it is necessary the system vibrates to carry out the weighing.
  • Another relevant advantage of measuring by natural frequencies is that, unlike weighing concepts, it does not weigh the body, it measures the mass of the body, which means that both variations in the gravitational field and the direction of device positioning do not influence the result. measurement, making it suitable for applications in unknown gravitational fields and even in the absence of gravitational fields.
  • Variants D mass measurement by natural frequencies does not necessarily require a device that performs the attract-measure-release method. In this case, it is called “Variant D”.
  • Figure 1 refers to the state of the art exemplifying the primitive balance.
  • Figure 2 refers to the state of the art exemplifying the traditional Roberval mechanism.
  • Figure 3 refers to the state of the art exemplifying the Roberval mechanism applied to a contemporary load cell.
  • Figure 4 refers to the state of the art, exemplifying the balance by electromagnetic compensation.
  • Figure 5 shows the side view in section of the basic scheme of Variant A, of the invention proposed here.
  • Figure 6 presents the dynamic mechanical system equivalent to the basic scheme of Variant A.
  • Figure 7 shows the side view in section of a functional version of Variant A.
  • Figure 8 shows the isometric sectional view of the device shown in Figure 7.
  • Figure 9 outlines the actuation timeline of the device shown in Figure 7.
  • Figure 10 shows the side cut view of the basic scheme of Variant B.
  • Figure 11 outlines the timeline of the application of PWM (pulse width modulation) applied to Variant B of the invention proposed here.
  • Figure 12 shows a side view of a functional version of Variant C of the invention proposed herein.
  • Figure 13 shows the front view of the device shown in Figure 12.
  • Figure 14 presents the isometric view of the device shown in Figure 12.
  • Figure 15 illustrates the concept of “eight open at one end”, applied to the device shown in Figure 12.
  • Figure 16 illustrates the concept of “fork”, applied to the device shown in Figure 12.
  • Figure 17 presents the critical dimensions of the device shown in Figure 12.
  • Figure 18 shows a side view of a functional version of Variant D of the invention proposed herein.
  • Figure 19 presents the isometric view of the device shown in Figure 18.
  • Figure 20 shows the side view of the device shown in Figure 18 in which a hammer exciter subsystem was added.
  • Figure 21 shows the front view of the device shown in Figure 20.
  • Figure 22 shows the rear view of the device shown in Figure 20.
  • Figure 23 presents a detail of Figure 20, showing the components in the excitation region.
  • Figure 24 shows the top view of a production line in which the equipment for analyzing parts was installed.
  • Figure 25 shows the positioning variation of the body of the example of embodiment of the invention.
  • the method, mechanical device and equipment for measuring physical parameters of bodies, object of the present invention is a method, a mechanical device and an equipment for measuring mass or weight, magnetic susceptibility or quantity of ferromagnetic material or amount of iron in bodies, as well as qualification, classification and selection of said bodies.
  • the method for measuring the mass or weight of a ferromagnetic body (5) comprises the steps of: 1 - actuation of one or a plurality of actuator electromagnets (20), resulting in attraction electromagnetic, from the bottom up, of the body (5) by the electromagnet(s) actuator(s) (20); 2 - crimping of the body (5) against the electromagnet(s) actuator(s) (20) or against one or a plurality of impact heads (21), due to the electromagnetic force exerted by the electromagnet(s) actuator(s)( es) (20); 3 - measurement of the mass or weight of the body itself (5), containing the reading of a signal correlated with the mass or weight of the body (5); 4 - deactivation of the actuator(s) electromagnet(s) (20); and 5 - fall of the body (5) due to the weight of the body (5), conceptualizing the term “attract-mede-release”.
  • the method for determining the magnetic susceptibility or for determining the amount of ferromagnetic material or for determining the amount of iron in a ferromagnetic body (5) comprises the steps of: 1 - activation of a or a plurality of actuator electromagnets (20), resulting in electromagnetic attraction, from below, of the body (5) by the actuator electromagnet(s) (20); 2 - body crimping (5) against the actuator(s) electromagnet(s) or against one or a plurality of head(s) impact (20), due to the electromagnetic force exerted by the electromagnet(s) actuator(s) (20); 3 - measurement of mass or weight of the body (5), containing the reading of a signal correlated with the mass or weight of the body (5); 4 - gradual decrease of the electromagnetic force of the actuator(s) electromagnet(s) (20) until said electromagnetic force is less than the weight force of the body (5); 5 - reading of the instantaneous power
  • Step 3 referring to the measurement of mass or weight itself of the body (5), may contain the reading of a signal correlated with the mass or weight of the body (5), said signal coming from one or a plurality of load cells (19), arranged vertically in series with the body (5) and, when in plurality, parallel to each other, or said signal can be obtained by gradually decreasing the electromagnetic force applied to the electromagnet(s)( s) actuator(s) (20), until the weight force, exerted naturally by the body (5), is greater than the electromagnetic force exerted by the actuator(s) electromagnet(s) (20), causing the electromagnetic release of the body (5) simultaneously with reading of the instantaneous power or voltage applied to the electromagnet(s) actuator(s) (20).
  • step 3 referring to the measurement of mass or weight of the body itself (5), such measurement can be obtained through statistical regression that uses, as explanatory variables, natural frequencies of a mechanical system (45) which is composed of a mechanical device (40) and the body (5) crimped to said mechanical device (40).
  • the method for qualification, classification or selection of a ferromagnetic body (5) comprises the steps of the method described above, also containing the steps of: 1 - analysis of the result of said measurement, through comparison with pre- established, comparison with statistical data from previously measured bodies or artificial neural network algorithm; and 2 - optionally manipulating the bodies based on the result of said analysis.
  • the Mechanical Device (18) for measuring the weight of a ferromagnetic body (5) where the weight measurement is obtained by processing a signal coming from one or a plurality of load cells (19), arranged vertically in series with the body (5) and, when in plurality, parallel to each other, it comprises: one or a plurality of load cells (19); one or a plurality of actuator electromagnets (20); none, one or a plurality of impact heads (21); and none, one or a plurality of damping elements (22).
  • the Mechanical device (33) for measuring the weight of a ferromagnetic body (5) obtained by gradually decreasing the electromagnetic force applied to the electromagnet(s) actuator(s) (20), until the weight force, exerted naturally by the body (5), is greater than the electromagnetic force exerted by the electromagnet(s) actuator(s) (20), causing the electromagnetic release of the body (5) at the same time as reading the power or instantaneous voltage applied to the actuator(s) electromagnet(s) (20); comprises: one or a plurality of actuator electromagnets (20); one or a plurality of presence sensors (34); and none, one or a plurality of impact heads (21).
  • the Mechanical Device (40) for measuring the mass of the ferromagnetic body (5), containing the reading of a signal correlated with the mass or weight of the ferromagnetic body (5), obtained through statistical regression that uses, as variables explanatory, natural frequencies of a mechanical system (45) with the ferromagnetic body (5) attached to said mechanical device (40), has one or a plurality of actuating electromagnets, as well as none, one or a plurality of impact heads, forming a mechanical system that has the concomitance of: at least one mode of vibration whose natural frequency is, at the same time, more affected by the mass variation of said body and less affected by the positioning of said body, compared to natural frequencies of other modes mechanical system vibration; and at least one mode of vibration whose natural frequency is, at the same time, more affected by the variation in positioning of said body and less affected by the variation of mass of said body, compared to natural frequencies of other vibration modes of the mechanical system.
  • the mechanical device (40) is still composed of spools (41) and structure (42), in such a way that, when it has a ferromagnetic body (5) fixed at its end, it forms a mechanical system (45) that has, concomitantly: the natural frequency of the first bending vibration mode in the yz plane more influenced by the mass of the ferromagnetic body (5) embedded in the end of said device (40) than by the positioning of the ferromagnetic body (5) embedded in the end of the said device (40), compared to natural frequencies of other vibration modes of said mechanical system (45); and the natural frequency of the first torsion mode in the xz plane more influenced by the positioning of the ferromagnetic body (5) crimped at the end of said device (40) than by the mass of the ferromagnetic body (5) crimped at the end of said device (40), compared to natural frequencies of other vibration modes of said mechanical system (45).
  • the Mechanical Device (40) may also have, in addition,
  • the invention encompasses an Equipment (52) configured to carry out the above-described method, equipment which comprises the Mechanical Device (18) for measuring the weight of a ferromagnetic body (5) or the Mechanical Device (33) for measuring the weight of a ferromagnetic body (5) or the Mechanical Device (40) for measuring the mass of a ferromagnetic body (5), also containing control hardware and software (54) and optional body manipulator (55).
  • Equipment (52) configured to carry out the above-described method, equipment which comprises the Mechanical Device (18) for measuring the weight of a ferromagnetic body (5) or the Mechanical Device (33) for measuring the weight of a ferromagnetic body (5) or the Mechanical Device (40) for measuring the mass of a ferromagnetic body (5), also containing control hardware and software (54) and optional body manipulator (55).
  • Variant A is the application of the concept “attract-measure-release” associated with weighing by load cell, and can be used when the body to be weighed has a ferromagnetic composition
  • Variant B is the application of the “attract-me-and-release” concept associated with electromagnetic equivalence weighing, used when the body has a ferromagnetic composition
  • Variant C is the association of the concept “attract-measure-release” to the measurement of mass by natural frequencies, also applied to ferromagnetic bodies.
  • Variant D is the application of measurement by natural frequencies without the need for the concomitant application of the concept “attract-measure-release” and, consequently, without the need for the body to have ferromagnetic characteristics.
  • the "Variant E” consists of the addition of a weighing per load cell in addition to the concept of electromagnetic equivalence, mentioned above, in order to obtain information on the magnetic susceptibility of the body;
  • the “Variant F” also aims to obtain information on the magnetic characteristics of the body, however, through the junction of mass measurement by natural frequencies and the concept of electromagnetic equivalence.
  • FIG. 5 shows the basic schematic view of Variant A, which consists of a mechanical arrangement (18) vertically in series of a load cell (19), an actuator electromagnet (20) and its respective and optional impact head (21 ). Optionally, there may be a damping element (22) in parallel with the load cell (19).
  • a mechanical arrangement is fixed to an inertial support (23) and intends to weigh a body (5) that has ferromagnetic properties.
  • the actuator electromagnet (20) is electrically activated and this attracts the body (5), impacting it and setting it against the actuator electromagnet (20) or against the optional impact head (21) ).
  • the electrical signal of the load cell (19) is read through the application of extensometric methods known in the state of the art, weighing the body (5).
  • the activation of the actuator electromagnet (20) and the reading of the load cell signal (19) are performed by an electro-electronic hardware (24). Methods and best practices for load cell based weighing, such as tare subtraction, calibration, etc., are well known. such methods being applicable to Variant A.
  • the easiest way to design the actuator electromagnet (20), as well as its activation, is to define the application voltage to be required by a known electromagnet, given by (adapted from Physics, Chapter 32 Electromagnetic Induction - Robert Katz Publications): where U is the voltage of a to be applied to the actuator electromagnet (20) (V); A is the cross-sectional area of the actuator electromagnet coil (20) (m 2 ); R is resistance of said coil ( ); n is the number of turns of the actuator electromagnet (20); d is the gap between the body (5) and the face of the actuator electromagnet (20) or the optional impact head (21) (m); ch_ is the thickness of the optional impact head (21) (m); m p is the mass of the body (5) (kg); g is the acceleration due to gravity (m/s 2 ); p is the magnetic constant (adopted 4x ⁇ x10 -7 ) and ô is a factor for adjusting the body type (5).
  • Such a factor is a dimensionless number between 0 and 1, where oferrite is 1, and is correlated with the magnetic susceptibility of the body to being attracted. From the definition of the application voltage, it is analyzed whether the actuator electromagnet (20) supports such a voltage for the suspension time of the body (5) and weight reading. [0070] The time ti of suspension of the body (5) can be obtained, approximately, by where F e is the force that the actuator electromagnet (20) applies to the body (5) at the initial moment of suspension, given by
  • the dimensioning of the optional damping element (22) is such that it makes the system critically damped: it is desired that the system does not vibrate and stabilizes itself as quickly as possible, for later weight measurement.
  • the necessary damping constant c is found from [0073]
  • the device can be stiffened to receive the impact of the body. A proposal in this direction is seen in the functional device shown in Figure 7 and Figure 8.
  • the components already mentioned above can be found, in addition to one or more pre-tensioning electromagnets (25), a plunger (26), a or more optional ferromagnetic elements (27) and a stator (28).
  • pre-tensioning electromagnets 25
  • a plunger 26
  • optional ferromagnetic elements 2-7
  • stator 28
  • the stator (28) is mounted on an inertial support (23). Fixed to the stator (28), is the pretensioner electromagnet (25) and one or more load cells (19).
  • the plunger (26) is floating within the system, and holds the actuator electromagnet (20), the optional ferromagnetic element (27) and the damper ring (29).
  • the optional ferromagnetic element (27) is required when the plunger (26) is made of a non-ferromagnetic material.
  • the actuation time line follows the diagram in Figure 9, where the time runs from left to right and the actuation (30) of the pre-tensioner electromagnet (25), the actuation (31) of the actuator electromagnet (20) and the measurement (32) of weight.
  • the process describes the steps: 1 - the pretensioner electromagnet (25) is energized, attracting the piston (26) against the stator (28) on its conical faces, making the system rigid in the vertical direction , mainly from the bottom to the top; 2 - the actuator electromagnet (20) is energized, which attracts and sets the body (5) against the actuator electromagnet itself (20) or against the optional impact head (21); 3 - after crimping the body (5), the pretensioner electromagnet (25) is de-energized, causing the mass of the plunger (26) and all that is crimped to it (27;29;20;5 ) rest on the load cell(s) (19); 4 - the weight measurement is carried out by reading the signal(s) of the load cell(s) (19); 5 - the actuator electromagnet (25) is de-energized, allowing the body (5) to fall.
  • the gap between the plunger (26) and the load cell(s) (19), during step 2 or between the plunger (26) and the stator (28) , during the measurement, is considerably small, enough to disengage the piston (26) from the stator (28) during the measurement. This ensures that the impact on the load cell(s) (19) in step 4 is small and the system oscillates with a small and rapidly dissipating amplitude.
  • the association of the plurality of load cells (19) is considered, when there is, as a single elastic element, so that the system can still be simplified to one degree of freedom.
  • the need for a dedicated damping element is eliminated, the main function of the damping ring (29) being to distribute the weight among the plurality of cells (19).
  • the conical shape of the interface between the stator (28) and the piston (26) guarantees positioning in the horizontal plane, with the objective of minimizing positioning variations that negatively influence the weighing.
  • Variant B aims to weigh ferromagnetic bodies that have equal magnetic susceptibilities, such as, for example, equal parts being produced on a production line.
  • Figure 10 schematizes a functional device (33) of Variant B, consisting of the actuator electromagnet (20), the optional impact head (21) and the presence sensor (34), which detects the part attached to the actuator electromagnet (20) or fixed to the optional impact head (21 ).
  • the actuation time line consists of: 1 - Energize the actuator electromagnet (20) with sufficient power to attract the body (5) and crimp it against the actuator electromagnet (20) or against the optional impact head ( 21 ); 2 - Gradually reduce the power applied to the actuator electromagnet (20), until the weight of the body (5) is greater than the electromagnetic force exerted by the actuator electromagnet (20) against the body (5), causing the body ( 5) disengage the actuator electromagnet (20) or the optional impact head (21) and start a free fall, instant detected by the presence sensor (34).
  • the power (or voltage, if the circuit resistance is constant) applied to the actuator electromagnet (20) at the instant of disengagement is proportional to the weight of the body (5).
  • the control of the power applied to the actuator electromagnet (20) is given by a control system (35) and can be done in several ways, the most common being: through a direct current drive, through a alternating current frequency or, preferably, using a PWM command (pulse width modulation).
  • Figure 11 shows the time line of a PWM actuation of Variant B.
  • the abscissas represent the time from left to right and the ordinates refer to the voltage applied to the actuator electromagnet (20).
  • a first phase (36) the actuator electromagnet (20) is activated, which attracts the body (5) until the moment of crimping (37).
  • the moment of crimping (37) can be determined by time or by reading the presence sensor (34).
  • the system must be calibrated using bodies similar to those that will be weighed during use. Using this previous calibration, the proportionality between the pulse width at the time of disengagement (39) and the body weight (5) is obtained.
  • the weight estimate can be obtained through statistical regressions, which tends to provide better accuracy than simple proportionality.
  • Variant C aims to use exactly this vibration to estimate the mass of the body.
  • a structure is proposed that has modes of vibrations within the spectral region of measurement that have respective natural frequencies that are: heavily influenced by the variation of the body's mass and little influenced by its positioning; and little influenced by the variation of body mass and heavily influenced by its positioning.
  • Figure 12, Figure 13 and Figure 14 show a device (40) developed in order to meet these characteristics. This is an example that can be taken as a functional solution, not limited to the only plausible constructive solution: there are numerous other conceptions that meet the objectives of the invention. Attention is drawn to the definition of the x, y and z coordinates in Figure 14, necessary for the explanation.
  • the device (40) is fixed to an inertial support (23) by the four spools (41) that act as fulcrums.
  • the spools suspend the structure (42), which has a geometry in the shape of an “8 open at one end”, illustrated by the thick line (43) of Figure 15, forming a “fork” facing downwards - the thick line (44) of the Figure 16 -, which supports an actuator electromagnet (20) with its respective and optional impact head at each of its ends.
  • the body (5) When the body (5) is crimped for weight measurement, it closes the “8” shape, forming the so-called mechanical system (45).
  • the structure (42) has several triangular weight reliefs that, for reasons of mechanical strength, serve to form a mesh of trusses in the xz plane, aiming to stiffen the structure (42) in the xz plane while keeping it flexible in the yz plane .
  • the functional reason behind this manipulation of stiffness is to distance the natural frequencies of the first bending modes in the xz and yz planes, reducing the natural frequency of the first bending modes in the yz plane, as well as favoring its amplitude.
  • Weight relief is also important for the sensitivity of the system (45) to body mass variation (5): if the structure (42) has a lot of mass, the body (5) represents a smaller percentage of the mass of the system (45) that is vibrating.
  • the material to be used for the construction of the structure (42) light and rigid metals such as titanium are suggested, as well as a manufacturing process by electro-erosion, laser cutting or water jet cutting;
  • the spools (41 ) - suggestively made of a low-density metal, such as aluminum - perform a similar function to the fulcrums (4) in the Roberval balance (7), having a cylindrical axis shape, favoring the torsional vibration mode in the xz plane in which the upper spools (41) twist axially in the same direction as the respective lower spools (41).
  • Such a mode characterizes an opposite movement of the two fork legs (44).
  • the natural frequency of the torsion mode in the xz plane is sensitive to the positioning of the body (5).
  • each fork leg (44) is partially determined by the restriction caused by the crimping of the body (5) against the actuator electromagnets (43) or against the optional impact head. , with the body's center of mass (5) being deposited in only one of the legs, significantly influencing its natural frequency.
  • the natural frequencies of the device (40) be low such that they are far from the free-free natural frequencies of the body (5).
  • the critical dimensions are recommended based on Figure 18, which are: a - as large as the body (5) allows; - as small as possible, limited for structural reasons; c - as large as possible, limited by the minimum frequency that the acquisition system accurately reads, because the first natural frequency of bending in the yz plane is inversely proportional to this dimension; d - as small as possible, limited by the minimum frequency that the acquisition system accurately reads, because the first natural frequency of bending in the yz plane is proportional to this dimension; e, e - large enough that the first mode of vibration is bending in the yz plane.
  • the application of multivariable regression that estimates the body mass (5) through the natural frequencies of the system (45) can also be called calibration.
  • Such calibration is described by the steps of: 1 - a sample of bodies (5) is selected that cover the measurement range as much as possible; 2 - each body (5) of said sample is weighed on a calibrated balance, recording the respective masses of each body (5).
  • Such a set of masses is the independent variable of the regression; 3 - each body (5) is subjected to impact and crimped to the device (40), recording the natural frequencies of the vibration modes of interest.
  • Such natural frequencies are the explanatory variables of the regression.
  • Variant D is based on Variant C, with the following conceptual difference: it is not necessary for the device to attract the body electromagnetically and, consequently, it is not necessary for the body to have a ferromagnetic composition.
  • a tray (46) is added to facilitate the placement of the body.
  • a tray (46) can be: 1 - flexible so that it does not close the “eight open at one end” format, from the point of view of modal analysis.
  • the measurement requires that the natural frequencies of the system be excited.
  • excitation can be generated by the impact of the body itself against the device (45) or by some external mechanism, such as an appropriate modal hammer, a dynamic exciter or by piezoelectric elements.
  • the excitation be in a direction that favors the amplitude of all vibration modes to be used in the estimation of the body's mass.
  • the ideal direction is given by a vector inclined at 45° in the xz and yz planes.
  • a subsystem with the function of said modal hammer is shown in Figure 20, Figure 21, Figure 22 and Figure 23.
  • Such subsystem is composed of a support (47) that is worn somewhere inert, such as the non-vibrating part of the spools (41 ).
  • the end of an elastic beam (48) is crimped, as well as an optional mechanical stop (49).
  • a hammer head (50) is crimped.
  • the structure (42) can have a bulge (51) that forms a face perpendicular to the impact direction (such bulge (51) is also useful for other types of excitation, such as by dynamic exciter or by piezoelectric elements).
  • the use of such a subsystem consists of simply pulling and releasing the hammering head (50) or the elastic beam (48) in the opposite direction to the structure (42), imposing an initial displacement on the elastic beam (48) and, consequently, on the head. hammer (50), which will vibrate freely due to the elasticity of the elastic beam (48).
  • the pull must be up to the contact of the hammer head (50) or the elastic beam (48) with the mechanical stop (49).
  • the free vibration of the hammer head (50) implies an impact of the hammer head (50) against the structure (42) or against its optional bulge (51).
  • the modal excitation of the mechanical system, required for the measurement of body mass, is therefore given by said impact.
  • the proposed subsystem offers the benefit of being coupled to the device and allows the excitation always in the ideal direction.
  • the optional mechanical stop (49) provides protection to the elastic beam (48) against excessive displacement during pulling, in addition to guaranteeing excitations with force repeatability.
  • Variant E and Variant F deal with devices that aim to estimate the magnetic susceptibility of ferromagnetic bodies.
  • the magnetic susceptibility is directly related to the amount of ferromagnetic material contained in the material, if bodies of the same geometry are considered.
  • Examples of homogeneously constituted composite materials include friction materials used in brake pads and linings, while the clearest example for ferromagnetic material is iron itself. Therefore, Variant E and Variant F are also aimed at estimating the amount of iron contained in the body and can be particularly useful in reverse engineering practices of brake linings and pads.
  • Variant E Either a weighing as described in Variant A or a mass measurement as described in Variant C, where the main concept of Variant B is added, which refers to the detection of the power applied to the actuator electromagnet at the moment of disengagement from the body.
  • the concomitance of Variant A with Variant B is called Variant E and the concomitance of Variant C with Variant B is called Variant F.
  • the mechanical arrangement of Variant E is identical to that of Variant A, with the exception that presence sensor (34) is required, and the mechanical arrangement of Variant F is identical to that of Variant C, with the exception that the presence sensor (34) is required.
  • Such a set of magnetic susceptibilities is the independent variable of the regression; 4 - each body is subjected to the crimping and unsetting of the actuator electromagnet, recording the power applied to the actuator electromagnet at the time of disengagement. Such power is the explanatory variable of the regression. It should be noted that a well-defined and repeatable positioning of the body under the actuator electromagnet offers better results; 5 - a statistical regression method available in the state of the art is performed using the independent variable and the explanatory variable, in order to estimate the magnetic susceptibility (or amount of iron) of each body of said sample; and 6 - the parameters and the equation resulting from the regression are recorded.
  • Figure 24 proposes equipment (52) for qualification, classification or selection of produced parts (53).
  • equipment (52) consists of devices (18 or 33 or 40), control hardware and software (54) and an optional parts handler (55).
  • manipulator (55) is able to divert the flow of the parts (53), according to the result of the measurement or the result of said analysis.
  • Resolutions are defined as 10% of the possible mass range, according to quality system manuals such as the MSA (Measurement System Analysis) of ISO QS 9000.
  • MSA Measurement System Analysis
  • the heaviest part possible has a mass of 382.6x10' 3 kg (PN2)
  • the lightest part has a mass of 297.7x10' 3 kg (PN4)
  • the smallest resolution is 0.69x10' 3 kg (PN2). Therefore, a measurement range is defined with a certain safety margin from 250x10' 3 kg to 450x10' 3 kg with a resolution of 0.69x10 -3 kg, which implies 290 graduations.
  • Table 2 [00118] As can be seen, the definition of thickness is given in four regions Ri, R2, Ra and R4, which include the extremes of the range (Ri, and R4) and intermediate regions (R2, and R3), equally spaced in pasta. A pair of bodies is proposed for each region, such that they are separated in mass according to the proposed resolution - 0.69x10' 3 kg. Sampling the full range is particularly important to avoid the need for undesired model extrapolation. Attention is also drawn to the minuscule difference in thickness in each pair of bodies, in the order of 20x10' 6 m (two hundredths of a millimeter).
  • Table 4 presents the estimates and the residues, where a maximum residue of 0.13x10' 3 kg can be seen, which validates the good applicability of the proposal.
  • applying only one natural frequency among fi, fa and fó in any type of regression known from the state of the art generates residues that are even greater than the resolution.

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Abstract

The invention proposes weighing techniques, primarily for weighing bodies that have ferromagnetic characteristics. For application to ferromagnetic bodies, the invention also discloses a solution for determining the magnetic susceptibility of said bodies, which is particularly useful for the analysis of bodies made of composite materials. The invention also provides a solution for weighing bodies that are in motion, such as parts being conveyed on a belt. To do so, the invention proposes mechanical devices that are simple, reliable, cheap, and easy to produce, used in conjunction with the proposed methods and equipment. The invention differs from the prior art by proposing an improvement to traditional weighing, and also discloses two novel concepts related to the problem. With regard to the improvement to traditional weighing, an attract/measure/release solution is proposed, and with regard to novel weighing concepts, electromagnetic equivalency and mass measurement by natural frequency are disclosed.

Description

MÉTODO, DISPOSITIVO MECÂNICO E EQUIPAMENTO PARA MEDIÇÃO DE MASSA OU PESO DE CORPOS FERROMAGNÉTICOS METHOD, MECHANICAL DEVICE AND EQUIPMENT FOR MEASURING MASS OR WEIGHT OF FERROMAGNETIC BODIES
[001] A invenção trata de um método, um dispositivo mecânico e um equipamento para medição de massa ou peso, susceptibilidade magnética ou quantidade de material ferromagnético ou quantidade de ferro em corpos ferromagnéticos, bem como qualificação, classificação e seleção dos referidos corpos ferromagnéticos, a qual oferece técnicas voltadas à pesagem, principalmente à pesagem de corpos que possuem características ferromagnéticas. Quando aplicada a corpos ferromagnéticos, a invenção também apresenta solução para a determinação da susceptibilidade magnética dos referidos corpos, sendo particularmente útil na análise de corpos constituídos de materiais compósitos. Também provê mecanismos para a pesagem de corpos que estão em movimento, como peças sendo transportadas em uma esteira. Para tanto, a invenção propõe dispositivos mecânicos simples, confiáveis, baratos e de fácil produção a serem utilizados em conjunto com os métodos e equipamentos propostos. A invenção propõe três novos conceitos inter-relacionados com pesagem: a aqui chamada solução do tipo atrai-mede-solta, a solução aqui chamada de equivalência eletromagnética e a aqui chamada de medição de massa por frequências naturais. [001] The invention deals with a method, a mechanical device and an equipment for measuring mass or weight, magnetic susceptibility or amount of ferromagnetic material or amount of iron in ferromagnetic bodies, as well as qualification, classification and selection of said ferromagnetic bodies, which offers techniques aimed at weighing, mainly the weighing of bodies that have ferromagnetic characteristics. When applied to ferromagnetic bodies, the invention also presents a solution for determining the magnetic susceptibility of said bodies, being particularly useful in the analysis of bodies made of composite materials. It also provides mechanisms for weighing bodies that are in motion, such as parts being transported on a conveyor belt. Therefore, the invention proposes simple, reliable, cheap and easy-to-produce mechanical devices to be used in conjunction with the proposed methods and equipment. The invention proposes three new concepts interrelated with weighing: the so-called attract-measure-release solution, the solution here called electromagnetic equivalence and the one here called mass measurement by natural frequencies.
CAMPO DA INVENÇÃO FIELD OF THE INVENTION
[002] O Método, dispositivo mecânico e equipamento para medição de parâmetros físicos de corpos ferromagnéticos, objetos da presente invenção, enquadram-se ao setor técnico de pesagem, ao setor de determinação da composição de corpos de materiais sólidos e ao setor de medições de características ferromagnéticas de sólidos através de experimentos, para qualquer área industrial. [002] The Method, mechanical device and equipment for measuring physical parameters of ferromagnetic bodies, objects of the present invention, fall within the technical weighing sector, the sector of determination of the composition of bodies of solid materials and the sector of measurements of ferromagnetic characteristics of solids through experiments, for any industrial area.
OBJETIVO DA INVENÇÃO PURPOSE OF THE INVENTION
[003] O Método, dispositivo mecânico e equipamento para medição de parâmetros físicos de corpos ferromagnéticos, objetos da presente invenção, têm por objetivo propor ao mercado pertinente uma solução para a determinação da susceptibilidade magnética dos referidos corpos de materiais sólidos, sendo particularmente útil na análise de corpos constituídos de materiais compósitos. Também é objetivo da invenção a pesagem de corpos que estão em movimento, como peças sendo transportadas em uma esteira. Para tanto, a invenção propõe dispositivos mecânicos simples, confiáveis, baratos e de fácil produção a serem utilizados em conjunto com os métodos e equipamentos propostos, em substituição às balanças mecânicas tradicionais. [003] The method, mechanical device and equipment for measuring physical parameters of ferromagnetic bodies, objects of the present invention, aim to propose to the relevant market a solution for the determination of the magnetic susceptibility of said bodies of solid materials, being particularly useful in analysis of bodies made of composite materials. It is also an object of the invention to weigh bodies that are in motion, such as parts being transported on a conveyor belt. To this end, the invention proposes simple, reliable, cheap and easy to use mechanical devices. production to be used in conjunction with the proposed methods and equipment, replacing traditional mechanical scales.
FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO E ESTADO DA TÉCNICA FUNDAMENTALS OF THE INVENTION AND STATE OF THE ART
[004] A concepção da invenção envolve conceitos antigos de pesagem. Os parágrafos seguintes referem-se a fundamentos difundidos no estado da técnica, porém fundamentais à concepção da invenção. [004] The design of the invention involves old weighing concepts. The following paragraphs refer to widespread foundations in the state of the art, but fundamental to the design of the invention.
[005] Em primeiro lugar, diferenciam-se os conceitos de massa e peso. Massa é uma grandeza escalar que se refere à tendência natural de um corpo em se opor a alterações de seu estado original de repouso ou movimento. Peso P é uma força, portanto, uma grandeza vetorial, que relaciona a massa m com a aceleração da gravidade local g, através da aplicação da segunda lei de Newton: [005] First, the concepts of mass and weight are differentiated. Mass is a scalar quantity that refers to the natural tendency of a body to oppose changes from its original state of rest or motion. Weight P is a force, therefore, a vector quantity, which relates mass m to the local acceleration of gravity g, through the application of Newton's second law:
P = mg (1 ) P = mg (1 )
[006] No Sistema Internacional de Unidades, massas são medidas em quilograma (kg) e acelerações são medidas em metro por segundo ao quadrado (m / s2). Por consequência, pesos são medidos em quilograma metro por segundo ao quadrado (kg m / s2), unidade também conhecida por newton (N). As balanças de pesagem (“balanças”) conhecidas no estado da técnica dependem do campo gravitacional ao qual estão sujeitas. Portanto, balanças tradicionais medem peso, e não massa. Tal fato é constatado pela premissa básica de que a direção de medição das balanças tradicionais é, obrigatoriamente, a mesma direção da aceleração da gravidade: vertical. [006] In the International System of Units, masses are measured in kilograms (kg) and accelerations are measured in meters per second squared (m/s 2 ). Consequently, weights are measured in kilogram meters per second squared (kg m / s 2 ), a unit also known as the newton (N). The weighing scales ("scales") known in the state of the art depend on the gravitational field to which they are subjected. Therefore, traditional scales measure weight, not mass. This fact is confirmed by the basic premise that the measurement direction of traditional scales is, necessarily, the same direction as the acceleration of gravity: vertical.
[007] Embora as definições acima sejam bastante claras e conhecidas há séculos, é comum os conceitos de massa e peso confundirem-se com frequência. A confusão é intensificada pelo uso da unidade quilograma-força (kgf) para medição de peso, que se assemelha a quilograma (kg), unidade de massa. Contudo, tal confusão geralmente não acarreta graves consequências, uma vez que, por definição, um corpo de massa 1 kg tem um peso de 1 kgf no planeta Terra. A vasta maioria das aplicações de engenharia restringe-se à Terra, que possui gravidade aproximadamente constante de 9,81 m/s2. Portanto, através da Equação 1 , deduz-se que um corpo de massa 1 kg possui um peso de 9,81 N ou, por definição, 1 kgf. Tal esclarecimento sobre massa e peso tem particular relevância na explicação da Variante C da presente invenção, mostrada adiante. [007] Although the above definitions are quite clear and known for centuries, it is common for the concepts of mass and weight to be confused often. The confusion is intensified by the use of the kilogram-force (kgf) unit for weight measurement, which resembles the kilogram (kg), unit of mass. However, such confusion usually does not have serious consequences, since, by definition, a body of mass 1 kg has a weight of 1 kgf on planet Earth. The vast majority of engineering applications are restricted to Earth, which has an approximately constant gravity of 9.81 m/s 2 . Therefore, through Equation 1, it is deduced that a body of mass 1 kg has a weight of 9.81 N or, by definition, 1 kgf. Such clarification of mass and weight is of particular relevance in the explanation of Variant C of the present invention, shown below.
[008] Com referência aos conceitos de pesagem, a Figura 1 ilustra a concepção primitiva de balança, composta por um sistema de alavanca (1 ). A balança consiste em dois pratos (2) suspensos cada qual em um lado (3) de da referida alavanca (1 ), sendo que os dois lados (3) da alavanca possuem distâncias geralmente iguais até o fulcro (4). O princípio de funcionamento baseia-se em equalizer o torque gerado pelos dos dois lados (3) da alavanca (1 ) no ponto do fulcro (4), por meio do ajuste de pesos contidos nos dois pratos (2), através da verificação da perfeita horizontalidade da alavanca (1 ), condição que representa um momento torsor nulo no fulcro (4). Para tanto, em um dos pratos (2) é posto o corpo a ser pesado (“corpo”) (5) e, no outro prato (2), são colocados pesos (6) de valores conhecidos. [008] With reference to weighing concepts, Figure 1 illustrates the primitive conception of a scale, composed of a lever system (1 ). The balance consists of two plates (2) suspended each on one side (3) of said lever (1), the two sides (3) of the lever having generally equal distances to the fulcrum (4). The working principle is based on equalizing the torque generated by the two sides (3) of the lever (1) at the fulcrum point (4), by adjusting the weights contained in the two plates (2), by checking the perfect horizontality of the lever (1), a condition that represents a zero torsional moment at the fulcrum (4). For this purpose, the body to be weighed (“body”) (5) is placed on one of the plates (2) and, on the other plate (2), weights (6) of known values are placed.
[009] A evolução da balança mecânica passa por Gilles de Roberval que, em 1669, inventou um mecanismo mostrado na Figura 2, particularmente relevante também para a Variante C da presente invenção, que será vista adiante. Em linhas gerais, o referido mecanismo (7) utiliza um conceito geométrico para reduzir a influência do posicionamento do corpo (5) sobre o prato (2) da balança. No conceito de pesagem por simples alavanca, mostrado na Figura 1 , o corpo (5) apresenta um menor peso se for colocado mais perto do fulcro (4) e maior peso se for colocado mais afastado do fulcro (4). A Figura 2 mostra a solução apresentada por Roberval, em que a simples alavanca (1 ) é substituída por um mecanismo de paralelogramo (7) com dois fulcros (4) e com articulações (8) na coluna dos pratos (2), o que garante um movimento vertical dos pratos (2) e, consequentemente, elimina a variação de pesagem devida ao posicionamento do corpo (5). Ainda sobre balanças mecânicas, Richard Salter, em 1770, inventou a balança de mola, que, fundamentado na teoria da elasticidade, mais especificamente na lei de Hooke em sua mínima forma, correlaciona a deformação de uma mola com o peso do corpo a ser pesado. Apesar de serem inicialmente aplicados a balanças mecânicas, os conceitos explorados por Roberval e Salter serviram de base para muitos conceitos atuais de balanças eletrônicas. [009] The evolution of the mechanical balance passes through Gilles de Roberval who, in 1669, invented a mechanism shown in Figure 2, particularly relevant also for the Variant C of the present invention, which will be seen below. In general terms, said mechanism (7) uses a geometric concept to reduce the influence of the positioning of the body (5) on the plate (2) of the balance. In the simple lever weighing concept, shown in Figure 1, the body (5) has a lower weight if it is placed closer to the fulcrum (4) and greater weight if it is placed further away from the fulcrum (4). Figure 2 shows the solution presented by Roberval, in which the simple lever (1) is replaced by a parallelogram mechanism (7) with two fulcrums (4) and with joints (8) in the column of the plates (2), which guarantees a vertical movement of the plates (2) and, consequently, eliminates the variation in weight due to the positioning of the body (5). Still on mechanical balances, Richard Salter, in 1770, invented the spring balance, which, based on the theory of elasticity, more specifically on Hooke's law in its minimum form, correlates the deformation of a spring with the weight of the body to be weighed. . Despite being initially applied to mechanical balances, the concepts explored by Roberval and Salter served as the basis for many current concepts of electronic balances.
[0010] As balanças de célula de carga (“balanças de célula”), são dispositivos eletromecânicos que surgiram em decorrência da invenção da célula de carga extensométrica que, por sua vez, surgiu da união de invenções relevantes: o conceito já explicado da balança de Salter, a ponte de Wheatstone, o extensômetro e, ocasionalmente, o mecanismo de Roberval. Em linhas gerais, a ponte de Wheatstone, inventada no século XIX por Samuel Hunter Christie e melhorada por Sir Charles Wheatstone, permite a leitura de variações de resistência muito pequenas em um resistor ou em um circuito resistivo. O extensômetro, por sua vez, foi inventado em 1938 por Edward E. Simmons e Arthur C. Ruge, e consiste na colagem de um filamento eletricamente resistivo em uma estrutura mecânica, sendo que tal filamento resistivo altera sua resistência elétrica proporcionalmente à deformação da estrutura mecânica à qual ele está aderido. Como a variação de resistência é extremamente pequena, é prática comum utilizar pontes de Wheatstone para a leitura da resistência de extrensômetros. Células de carga extensométricas em sua essência são, portanto, estruturas mecânicas (molas com deformações relativamente pequenas) em que são aderidos extensômetros que estão eletricamente ligados a uma ponte de Wheatstone, gerando um sinal proporcional à força aplicada à estrutura mecânica. [0010] Load cell scales (“cell scales”) are electromechanical devices that emerged as a result of the invention of the strain gauge load cell which, in turn, emerged from the union of relevant inventions: the already explained concept of the scale of Salter, the Wheatstone bridge, the strain gauge and, occasionally, the Roberval mechanism. In general terms, the Wheatstone bridge, invented in the 19th century by Samuel Hunter Christie and improved by Sir Charles Wheatstone, allows the reading of very small variations in resistance in a resistor or in a resistive circuit. The strain gauge, in turn, was invented in 1938 by Edward E. Simmons and Arthur C. Ruge, and consists of gluing an electrically resistive filament to a mechanical structure, where such a resistive filament changes its electrical resistance proportionally to the deformation of the mechanical structure to which it is adhered. As the resistance variation is extremely small, it is common practice to use Wheatstone bridges to read the resistance of extremometers. Extensometric load cells in their essence are, therefore, mechanical structures (springs with relatively small deformations) to which strain gauges are attached that are electrically connected to a Wheatstone bridge, generating a signal proportional to the force applied to the mechanical structure.
[0011] A aplicação do mecanismo de Roberval em células de carga (9) é exposta na Figura 3, onde os fulcros articulados (4) são substituídos por finas regiões (10) da estrutura mecânica, bem como as articulações da coluna do prato (8) são substituídas por finas regiões (11 ) próximas à coluna (12) de aplicação da força a ser medida. Usualmente, aderem-se os extensômetros (13) nas regiões (10,11 ) que equivalem aos fulcros e articulações por serem regiões sujeitas à maior deformação. Nota-se, portanto, que a coluna (12) tem um movimento aproximadamente vertical, assim como ocorre nas colunas dos pratos do tradicional mecanismo de Roberval, da Figura 2. [0011] The application of the Roberval mechanism in load cells (9) is shown in Figure 3, where the articulated fulcrums (4) are replaced by thin regions (10) of the mechanical structure, as well as the joints of the dish column ( 8) are replaced by thin regions (11) close to the column (12) of application of the force to be measured. Usually, strain gauges (13) are attached to regions (10,11 ) that are equivalent to fulcrums and joints as they are regions subject to greater deformation. Note, therefore, that the column (12) has an approximately vertical movement, as it occurs in the columns of the plates of the traditional Roberval mechanism, in Figure 2.
[0012] Não está claro na literatura quando as células de carga foram aplicadas especificamente em balanças, embora a dedução desta aplicação seja quase óbvia. No entanto, na década de 1970 e 1980, empresas como Toledo e Mettler patentearam alguns dos primeiros tipos de balanças com características específicas (US4236222, US3939332, US3962570, US3962569, US3984667, US3986012, US4181946, US4204197, US4236222, US4310893, US5623128). [0012] It is not clear in the literature when load cells were applied specifically in scales, although the deduction of this application is almost obvious. However, in the 1970s and 1980s, companies such as Toledo and Mettler patented some of the first types of scales with specific characteristics (US4236222, US3939332, US3962570, US3962569, US3984667, US3986012, US4181946, US4204197, US4236222, US4316).
[0013] As balanças de compensação eletromagnética utilizam um conceito completamente diferente para realizar a pesagem. A Figura 4 apresenta o conceito básico (14), que foi inicialmente protegido por Lee Cahn em 1963 (US3224517) onde, em linhas gerais, um eletroímã (15) gera uma força para suspender o prato (2) em que está posto o corpo (5), de forma a reestabelecer a posição do prato (2) sem carga. Um sensor de posicionamento (16) informa ao módulo de controle (17) quando a posição é reestabelecida. A potência elétrica consumida pelo eletroímã (15) no momento em que a posição é reestabelecida é proporcional ao peso do corpo (5) em adição ao prato (2). Uma aplicação mais recente da técnica de compensação eletromagnética é encontrada no documento US2012181094A1 . [0014] As balanças atuais comuns, sejam baseadas em células de carga extensométricas ou em compensação eletromagnética, requerem que o corpo seja colocado sobre o prato da balança, o que dificulta o uso dessas balanças na pesagem de corpos em movimento. Entretanto, o estado da técnica contempla alguns inventos voltados a esse fim: patentes como CN106768248A, CN109186723A e US3101800A possuem o objetivo de pesar corpos em movimento, porém ainda requerem que o corpo repouse sobre um prato ou equivalente; patentes como CA2229237A1 e US5856637A contemplam um dispositivo de ligação entre uma esteira transportadora e o equivalente prato da balança, com o intuito de desacoplar fisicamente a esteira da balança; patentes como RU2013127573A e JP2002277309A referem-se a esteiras transformadas em balanças. [0013] Electromagnetic compensation scales use a completely different concept to carry out weighing. Figure 4 presents the basic concept (14), which was initially protected by Lee Cahn in 1963 (US3224517) where, in general terms, an electromagnet (15) generates a force to suspend the plate (2) on which the body is placed. (5), in order to reestablish the position of the plate (2) without load. A positioning sensor (16) informs the control module (17) when the position is re-established. The electrical power consumed by the electromagnet (15) when the position is re-established is proportional to the weight of the body (5) in addition to the plate (2). A more recent application of the electromagnetic compensation technique is found in US2012181094A1. [0014] Current common scales, whether based on strain gauge load cells or on electromagnetic compensation, require the body to be placed on the scale plate, which makes it difficult to use these scales to weigh bodies in motion. However, the state of the art includes some inventions aimed at this end: patents such as CN106768248A, CN109186723A and US3101800A have the objective of weighing bodies in motion, but still require the body to rest on a plate or equivalent; patents such as CA2229237A1 and US5856637A contemplate a connection device between a conveyor belt and the equivalent scale plate, in order to physically decouple the belt from the scale; patents such as RU2013127573A and JP2002277309A refer to mats transformed into scales.
[0015] Não está contemplada no estado da técnica uma solução que atraia o corpo da superfície que o transporta, meça o seu peso ou massa e solte-o através de um dispositivo mecanicamente simples, estacionário, sem articulações. [0015] It is not contemplated in the state of the art a solution that attracts the body from the surface that transports it, measures its weight or mass and releases it through a mechanically simple, stationary device, without joints.
PROBLEMA A SER RESOLVIDO PROBLEM TO BE SOLVED
[0016] A presente invenção contempla uma solução para o problema, através da concepção de dispositivos com poucos componentes, sem partes móveis, baratos de serem concebidos, opcionalmente baseados em atração eletromagnética e facilmente adaptáveis a superfícies transportadoras que já estão projetadas ou instaladas. Quando o dispositivo utiliza atração eletromagnética, uma premissa para a aplicação é que o corpo a ser pesado tenha composição ferromagnética. A título de nomenclatura, chama-se de “Variante A” a aplicação do conceito “atrai-mede-solta” associado a uma pesagem por célula de carga. [0016] The present invention contemplates a solution to the problem, through the design of devices with few components, without moving parts, cheap to be designed, optionally based on electromagnetic attraction and easily adaptable to conveyor surfaces that are already designed or installed. When the device uses electromagnetic attraction, a premise for the application is that the body to be weighed has a ferromagnetic composition. By way of nomenclature, “Variant A” is the application of the “attract-measure-release” concept associated with weighing per load cell.
[0017] Além de ser uma solução para pesagem de peças em movimento, a invenção aborda dois novos conceitos de pesagem que são inter-relacionados ao problema inicial: o primeiro novo conceito fundamenta-se em eletromagnetismo, porém não é baseado no restabelecimento da posição do prato, como é o caso das balanças de compensação eletromagnética, mas é baseado em uma força eletromagnética diretamente equivalente ao peso do corpo. Nomeia-se este novo conceito de pesagem como equivalência eletromagnética. Quando é aplicado o conceito “atrai-mede-solta” à dita equivalência eletromagnética, dá-se o nome de “Variante B”. [0017] In addition to being a solution for weighing moving parts, the invention addresses two new weighing concepts that are interrelated to the initial problem: the first new concept is based on electromagnetism, but it is not based on restoring the position of the pan, as is the case with electromagnetic balance scales, but it is based on an electromagnetic force directly equivalent to the weight of the body. This new weighing concept is called electromagnetic equivalence. When the “attract-me-and-release” concept is applied to the so-called electromagnetic equivalence, it is called “Variant B”.
[0018] O segundo novo conceito de pesagem proposto, totalmente distinto do que é conhecido no estado da técnica, é chamado aqui de medição de massa por frequências naturais, e baseia-se na análise de vibrações de um sistema mecânico composto por uma estrutura especialmente projetada para esse fim engastada ao corpo. Ao se aplicar o conceito “atrai-mede-solta” à medição por frequências naturais, dá-se o nome de “Variante C”. A principal vantagem da medição de massa por frequências naturais está na aplicação dinâmica da invenção: enquanto os conceitos tradicionais de pesagem são afetados negativamente por uma possível vibração do corpo ou do conjunto, a pesagem por frequências naturais é positivamente afetada por tal circunstância: é necessário que o sistema vibre para a realização da pesagem. Outra vantagem relevante da medição por frequências naturais é que, diferentemente dos conceitos de pesagem, ela não pesa o corpo, ela mede a massa do corpo, o que significa que tanto variações no campo gravitacional quanto a direção do posicionamento do dispositivo não influenciam o resultado da medição, tornando-a apta para aplicações em campos gravitacionais desconhecidos e até na ausência de campos gravitacionais. [0018] The second proposed new weighing concept, totally different from what is known in the state of the art, is called here mass measurement by frequencies natural, and is based on the analysis of vibrations of a mechanical system composed of a structure specially designed for this purpose fixed to the body. When applying the concept “attract-measure-release” to the measurement by natural frequencies, it is called “Variant C”. The main advantage of measuring mass by natural frequencies lies in the dynamic application of the invention: while traditional weighing concepts are negatively affected by a possible vibration of the body or the set, weighing by natural frequencies is positively affected by such a circumstance: it is necessary the system vibrates to carry out the weighing. Another relevant advantage of measuring by natural frequencies is that, unlike weighing concepts, it does not weigh the body, it measures the mass of the body, which means that both variations in the gravitational field and the direction of device positioning do not influence the result. measurement, making it suitable for applications in unknown gravitational fields and even in the absence of gravitational fields.
[0019] Diferentemente das Variantes A e B, a medição de massa por frequências naturais não requer, obrigatoriamente, um dispositivo que execute o método atrai-mede- solta. Nesse caso, dá-se o nome de “Variante D”. [0019] Unlike Variants A and B, mass measurement by natural frequencies does not necessarily require a device that performs the attract-measure-release method. In this case, it is called “Variant D”.
[0020] Outros problemas técnicos possíveis de serem resolvidos com a presente invenção tratam da determinação da susceptibilidade magnética de corpos, assim como da determinação da quantidade de material ferromagnético de corpos, principalmente corpos constituídos por materiais compósitos. Documentos como JPH07306185A e JPA63217266 tratam destes tópicos de uma forma completamente diferente da proposta aqui. A presente invenção aborda soluções baseadas na união de conceitos aqui propostos: o conceito da pesagem por célula de carga em adição à equivalência eletromagnética (“Variante E”) e o conceito da medição de massa por frequências naturais em adição à equivalência eletromagnética (“Variante F”). [0020] Other technical problems that can be solved with the present invention deal with the determination of the magnetic susceptibility of bodies, as well as the determination of the amount of ferromagnetic material of bodies, mainly bodies constituted by composite materials. Documents such as JPH07306185A and JPA63217266 deal with these topics in a completely different way than proposed here. The present invention addresses solutions based on the union of concepts proposed here: the concept of load cell weighing in addition to electromagnetic equivalence (“Variant E”) and the concept of mass measurement by natural frequencies in addition to electromagnetic equivalence (“Variant E”) F”).
[0021] Outro problema técnico de possível aplicação da invenção é a análise de peças produzidas em linha de produção, sendo que qualquer uma das Variantes pode ser utilizada para qualificar, classificar ou selecionar as peças de acordo com o resultado das medições. [0021] Another technical problem of possible application of the invention is the analysis of parts produced on the production line, and any of the Variants can be used to qualify, classify or select the parts according to the measurement result.
DESCRIÇÃO DAS FIGURAS DESCRIPTION OF THE FIGURES
[0022] A seguir faz-se referência às Figuras que acompanham este relatório descritivo, para melhor entendimento e ilustração do mesmo, onde se vê: [0022] Reference is made to the Figures that accompany this descriptive report, for a better understanding and illustration of the same, where you can see:
[0023] A Figura 1 refere-se ao estado da técnica exemplificando a balança primitiva. [0024] A Figura 2 refere-se ao estado da técnica exemplificando o mecanismo de Roberval tradicional. [0023] Figure 1 refers to the state of the art exemplifying the primitive balance. [0024] Figure 2 refers to the state of the art exemplifying the traditional Roberval mechanism.
[0025] A Figura 3 refere-se ao estado da técnica exemplificando o mecanismo de Roberval aplicado a uma célula de carga contemporânea. [0025] Figure 3 refers to the state of the art exemplifying the Roberval mechanism applied to a contemporary load cell.
[0026] A Figura 4 refere-se ao estado da técnica, exemplificando a balança por compensação eletromagnética. [0026] Figure 4 refers to the state of the art, exemplifying the balance by electromagnetic compensation.
[0027] A Figura 5 apresenta a vista lateral em corte do esquema básico da Variante A, da invenção aqui proposta. [0027] Figure 5 shows the side view in section of the basic scheme of Variant A, of the invention proposed here.
[0028] A Figura 6 apresenta o sistema mecânico dinâmico equivalente ao esquema básico da Variante A. [0028] Figure 6 presents the dynamic mechanical system equivalent to the basic scheme of Variant A.
[0029] A Figura 7 apresenta a vista lateral em corte de uma versão funcional da Variante A. [0029] Figure 7 shows the side view in section of a functional version of Variant A.
[0030] A Figura 8 apresenta a vista isométrica em corte do dispositivo mostrado na Figura 7. [0030] Figure 8 shows the isometric sectional view of the device shown in Figure 7.
[0031] A Figura 9 esquematiza a linha de tempo de atuação do dispositivo mostrado na Figura 7. [0031] Figure 9 outlines the actuation timeline of the device shown in Figure 7.
[0032] A Figura 10 apresenta a vista lateral em corte do esquema básico da Variante B. [0033] A Figura 11 esquematiza a linha de tempo da aplicação de PWM (pulse width modulation ou modulação de largura de pulso) aplicada à Variante B da invenção aqui proposta. [0032] Figure 10 shows the side cut view of the basic scheme of Variant B. [0033] Figure 11 outlines the timeline of the application of PWM (pulse width modulation) applied to Variant B of the invention proposed here.
[0034] A Figura 12 apresenta a vista lateral de uma versão funcional da Variante C da invenção aqui proposta. [0034] Figure 12 shows a side view of a functional version of Variant C of the invention proposed herein.
[0035] A Figura 13 apresenta a vista frontal do dispositivo mostrado na Figura 12. [0035] Figure 13 shows the front view of the device shown in Figure 12.
[0036] A Figura 14 apresenta a vista isométrica do dispositivo mostrado na Figura 12. [0036] Figure 14 presents the isometric view of the device shown in Figure 12.
[0037] A Figura 15 ilustra o conceito de “oito aberto em uma extremidade”, aplicado ao dispositivo mostrado na Figura 12. [0037] Figure 15 illustrates the concept of “eight open at one end”, applied to the device shown in Figure 12.
[0038] A Figura 16 ilustra o conceito de “forquilha”, aplicado ao dispositivo mostrado na Figura 12. [0038] Figure 16 illustrates the concept of “fork”, applied to the device shown in Figure 12.
[0039] A Figura 17 apresenta as dimensões críticas do dispositivo mostrado na Figura 12. [0039] Figure 17 presents the critical dimensions of the device shown in Figure 12.
[0040] A Figura 18 apresenta a vista lateral de uma versão funcional da Variante D da invenção aqui proposta. [0040] Figure 18 shows a side view of a functional version of Variant D of the invention proposed herein.
[0041 ] A Figura 19 apresenta a vista isométrica do dispositivo mostrado na Figura 18. [0042] A Figura 20 apresenta a vista lateral do dispositivo mostrado na Figura 18 em que foi adicionado um subsistema de martelo excitador. [0041] Figure 19 presents the isometric view of the device shown in Figure 18. [0042] Figure 20 shows the side view of the device shown in Figure 18 in which a hammer exciter subsystem was added.
[0043] A Figura 21 apresenta a vista frontal do dispositivo mostrado na Figura 20. [0043] Figure 21 shows the front view of the device shown in Figure 20.
[0044] A Figura 22 apresenta a vista posterior do dispositivo mostrado na Figura 20. [0044] Figure 22 shows the rear view of the device shown in Figure 20.
[0045] A Figura 23 apresenta um detalhamento da Figura 20, mostrando os componentes na região de excitação. [0045] Figure 23 presents a detail of Figure 20, showing the components in the excitation region.
[0046] A Figura 24 apresenta a vista superior de uma linha de produção em que foi instalado o equipamento para análise de peças. [0046] Figure 24 shows the top view of a production line in which the equipment for analyzing parts was installed.
[0047] A Figura 25 apresenta a variação de posicionamento do corpo do exemplo de concretização da invenção. [0047] Figure 25 shows the positioning variation of the body of the example of embodiment of the invention.
DESCRIÇÃO GERAL DA INVENÇÃO GENERAL DESCRIPTION OF THE INVENTION
[0048] O método, dispositivo mecânico e equipamento para medição de parâmetros físicos de corpos, objeto da presente invenção, trata-se de um método, um dispositivo mecânico e um equipamento para medição de massa ou peso, susceptibilidade magnética ou quantidade de material ferromagnético ou quantidade de ferro em corpos, bem como qualificação, classificação e seleção dos referidos corpos. [0048] The method, mechanical device and equipment for measuring physical parameters of bodies, object of the present invention, is a method, a mechanical device and an equipment for measuring mass or weight, magnetic susceptibility or quantity of ferromagnetic material or amount of iron in bodies, as well as qualification, classification and selection of said bodies.
[0049] Quando aplicado a um corpo ferromagnético, o método para medição de massa ou peso de um corpo ferromagnético (5), compreende as etapas de: 1 - acionamento de um ou de uma pluralidade de eletroímãs atuadores (20), resultando em atração eletromagnética, de baixo para cima, do corpo (5) pelo(s) eletroímã(s) atuador(es) (20); 2 - engaste do corpo (5) contra o(s) eletroímã(s) atuador(es) (20) ou contra uma ou uma pluralidade de cabeças de impacto (21 ), devido à força eletromagnética exercida pelo eletroímã(s) atuador(es) (20); 3 - medição de massa ou peso propriamente dita do corpo (5), contendo a leitura de um sinal correlacionado com a massa ou peso do corpo (5); 4 - desacionamento do(s) eletroímã(s) atuadore(s) (20); e 5 - queda do corpo (5) por força peso do corpo (5), conceituando o termo “atrai-mede-solta”. [0049] When applied to a ferromagnetic body, the method for measuring the mass or weight of a ferromagnetic body (5), comprises the steps of: 1 - actuation of one or a plurality of actuator electromagnets (20), resulting in attraction electromagnetic, from the bottom up, of the body (5) by the electromagnet(s) actuator(s) (20); 2 - crimping of the body (5) against the electromagnet(s) actuator(s) (20) or against one or a plurality of impact heads (21), due to the electromagnetic force exerted by the electromagnet(s) actuator(s)( es) (20); 3 - measurement of the mass or weight of the body itself (5), containing the reading of a signal correlated with the mass or weight of the body (5); 4 - deactivation of the actuator(s) electromagnet(s) (20); and 5 - fall of the body (5) due to the weight of the body (5), conceptualizing the term “attract-mede-release”.
[0050] Também quando aplicado a um corpo ferromagnético, o método para determinação da susceptibilidade magnética ou para determinação da quantidade de material ferromagnético ou para determinação da quantidade de ferro de um corpo ferromagnético (5) compreende as etapas de: 1 - acionamento de um ou de uma pluralidade de eletroímãs atuadores (20), resultando em atração eletromagnética, de baixo para cima, do corpo (5) pelo(s) eletroímã(s) atuador(es) (20); 2 - engaste do corpo (5) contra o(s) eletroímã(s) atuador(es) ou contra uma ou uma pluralidade de cabeça(s) de impacto (20), devido à força eletromagnética exercida pelo(s) eletroímã(s) atuador(es) (20); 3 - medição de massa ou peso do corpo (5), contendo a leitura de um sinal correlacionado com a massa ou peso do corpo (5); 4 - decremento gradual da força eletromagnética do(s) eletroímã(s) atuador(es) (20) até que esta referida força eletromagnética seja menor do que a força peso do corpo (5); 5 - leitura da potência ou tensão instantânea aplicada ao(s) eletroímã(s) atuador(es) (20) no instante final da etapa 4; e 6 - queda do corpo (5) por força peso do corpo (5). [0050] Also when applied to a ferromagnetic body, the method for determining the magnetic susceptibility or for determining the amount of ferromagnetic material or for determining the amount of iron in a ferromagnetic body (5) comprises the steps of: 1 - activation of a or a plurality of actuator electromagnets (20), resulting in electromagnetic attraction, from below, of the body (5) by the actuator electromagnet(s) (20); 2 - body crimping (5) against the actuator(s) electromagnet(s) or against one or a plurality of head(s) impact (20), due to the electromagnetic force exerted by the electromagnet(s) actuator(s) (20); 3 - measurement of mass or weight of the body (5), containing the reading of a signal correlated with the mass or weight of the body (5); 4 - gradual decrease of the electromagnetic force of the actuator(s) electromagnet(s) (20) until said electromagnetic force is less than the weight force of the body (5); 5 - reading of the instantaneous power or voltage applied to the electromagnet(s) actuator(s) (20) at the final instant of step 4; and 6 - fall of the body (5) due to the weight of the body (5).
[0051] A etapa 3, referente à medição de massa ou peso propriamente dita do corpo (5), pode conter a leitura de um sinal correlacionado com a massa ou peso do corpo (5), sendo o referido sinal vindo de uma ou de uma pluralidade de células de carga (19), dispostas verticalmente em série com o corpo (5) e, quando em pluralidade, paralelas entre si, ou o referido sinal pode ser obtido pelo decremento gradual da força eletromagnética aplicada ao(s) eletroímã(s) atuador(es) (20), até que a força peso, exercida naturalmente pelo corpo (5), seja maior do que a força eletromagnética exercida pelo(s) eletroímã(s) atuador(es) (20), ocasionando a soltura eletromagnética do corpo (5) em simultâneo com leitura da potência ou tensão instantânea aplicada ao(s) eletroímã(s) atuador(es) (20). [0051] Step 3, referring to the measurement of mass or weight itself of the body (5), may contain the reading of a signal correlated with the mass or weight of the body (5), said signal coming from one or a plurality of load cells (19), arranged vertically in series with the body (5) and, when in plurality, parallel to each other, or said signal can be obtained by gradually decreasing the electromagnetic force applied to the electromagnet(s)( s) actuator(s) (20), until the weight force, exerted naturally by the body (5), is greater than the electromagnetic force exerted by the actuator(s) electromagnet(s) (20), causing the electromagnetic release of the body (5) simultaneously with reading of the instantaneous power or voltage applied to the electromagnet(s) actuator(s) (20).
[0052] Ainda com relação à etapa 3, referente à medição de massa ou peso propriamente dita do corpo (5), tal medição pode ser obtida através de regressão estatística que utiliza, como variáveis explanatórias, frequências naturais de um sistema mecânico (45) que é composto por um dispositivo mecânico (40) e o corpo (5) engastado ao referido dispositivo mecânico (40). [0052] Still in relation to step 3, referring to the measurement of mass or weight of the body itself (5), such measurement can be obtained through statistical regression that uses, as explanatory variables, natural frequencies of a mechanical system (45) which is composed of a mechanical device (40) and the body (5) crimped to said mechanical device (40).
[0053] O método para qualificação, classificação ou seleção de um corpo ferromagnético (5) compreende as etapas do método acima descrito, contendo, ainda, as etapas de: 1 - análise do resultado da referida medição, através de comparação com valores pré-estabelecidos, comparação com dados estatísticos de corpos previamente medidos ou algoritmo de redes neurais artificiais; e 2 - opcionalmente a manipulação dos corpos com base no resultado da referida análise. [0053] The method for qualification, classification or selection of a ferromagnetic body (5) comprises the steps of the method described above, also containing the steps of: 1 - analysis of the result of said measurement, through comparison with pre- established, comparison with statistical data from previously measured bodies or artificial neural network algorithm; and 2 - optionally manipulating the bodies based on the result of said analysis.
[0054] O Dispositivo mecânico (18) para medição de peso de um corpo ferromagnético (5), onde a medição de peso é obtida pelo processamento de um sinal vindo de uma ou de uma pluralidade de células de carga (19), dispostas verticalmente em série com o corpo (5) e, quando em pluralidade, paralelas entre si, compreende: uma ou uma pluralidade de células de carga (19); um ou uma pluralidade de eletroímãs atuadores (20); nenhuma, uma ou uma pluralidade de cabeças de impacto (21 ); e nenhum, um ou uma pluralidade de elementos amortecedores (22). [0054] The Mechanical Device (18) for measuring the weight of a ferromagnetic body (5), where the weight measurement is obtained by processing a signal coming from one or a plurality of load cells (19), arranged vertically in series with the body (5) and, when in plurality, parallel to each other, it comprises: one or a plurality of load cells (19); one or a plurality of actuator electromagnets (20); none, one or a plurality of impact heads (21); and none, one or a plurality of damping elements (22).
[0055] O Dispositivo mecânico (33) para medição de peso de um corpo ferromagnético (5) obtida pelo decremento gradual da força eletromagnética aplicada ao(s) eletroímã(s) atuador(es) (20), até que a força peso, exercida naturalmente pelo corpo (5), seja maior do que a força eletromagnética exercida pelo(s) eletroímã(s) atuador(es) (20), ocasionando a soltura eletromagnética do corpo (5) em simultâneo com leitura da potência ou tensão instantânea aplicada ao(s) eletroímã(s) atuador(es) (20); compreende: um ou uma pluralidade de eletroímãs atuadores (20); um ou uma pluralidade de sensores de presença (34); e nenhuma, uma ou uma pluralidade de cabeças de impacto (21 ). [0055] The Mechanical device (33) for measuring the weight of a ferromagnetic body (5) obtained by gradually decreasing the electromagnetic force applied to the electromagnet(s) actuator(s) (20), until the weight force, exerted naturally by the body (5), is greater than the electromagnetic force exerted by the electromagnet(s) actuator(s) (20), causing the electromagnetic release of the body (5) at the same time as reading the power or instantaneous voltage applied to the actuator(s) electromagnet(s) (20); comprises: one or a plurality of actuator electromagnets (20); one or a plurality of presence sensors (34); and none, one or a plurality of impact heads (21).
[0056] O Dispositivo mecânico (40) para de medição de massa do corpo ferromagnético (5), contendo a leitura de um sinal correlacionado com a massa ou peso do corpo ferromagnético (5), obtida através de regressão estatística que utiliza, como variáveis explanatórias, frequências naturais de um sistema mecânico (45) com o corpo ferromagnético (5) engastado ao referido dispositivo mecânico (40), possui um ou uma pluralidade de eletroímãs atuadores, bem como nenhuma, uma ou uma pluralidade de cabeças de impacto, formando um sistema mecânico que possui a concomitância de: pelo menos um modo de vibração cuja frequência natural é, ao mesmo tempo, mais afetada pela variação de massa do referido corpo e menos afetada pelo posicionamento do referido corpo, em comparação com frequências naturais de outros modos de vibração do sistema mecânico; e pelo menos um modo de vibração cuja frequência natural é, ao mesmo tempo, mais afetada pela variação de posicionamento do referido corpo e menos afetada pela variação de massa do referido corpo, em comparação com frequências naturais de outros modos de vibração do sistema mecânico. [0056] The Mechanical Device (40) for measuring the mass of the ferromagnetic body (5), containing the reading of a signal correlated with the mass or weight of the ferromagnetic body (5), obtained through statistical regression that uses, as variables explanatory, natural frequencies of a mechanical system (45) with the ferromagnetic body (5) attached to said mechanical device (40), has one or a plurality of actuating electromagnets, as well as none, one or a plurality of impact heads, forming a mechanical system that has the concomitance of: at least one mode of vibration whose natural frequency is, at the same time, more affected by the mass variation of said body and less affected by the positioning of said body, compared to natural frequencies of other modes mechanical system vibration; and at least one mode of vibration whose natural frequency is, at the same time, more affected by the variation in positioning of said body and less affected by the variation of mass of said body, compared to natural frequencies of other vibration modes of the mechanical system.
[0057] O dispositivo mecânico (40) ainda está composto por carretéis (41 ) e estrutura (42), de tal forma que, quando está com um corpo ferromagnético (5) engastado em sua extremidade, forma um sistema mecânico (45) que possui, concomitantemente: a frequência natural do primeiro modo de vibração de flexão no plano yz mais influenciada pela massa do corpo ferromagnético (5) engastado na extremidade do referido dispositivo (40) do que pelo posicionamento do corpo ferromagnético (5) engastado na extremidade do referido dispositivo (40), em comparação com frequências naturais de outros modos de vibração do referido sistema mecânico (45); e a frequência natural do primeiro modo de torção no plano xz mais influenciada pelo posicionamento do corpo ferromagnético (5) engastado na extremidade do referido dispositivo (40) do que pela massa do corpo ferromagnético (5) engastado na extremidade do referido dispositivo (40), em comparação com frequências naturais de outros modos de vibração do referido sistema mecânico (45). [0058] O Dispositivo mecânico (40), ainda pode possuir, adicionalmente, um subsistema que exerce a função de martelo modal, composto por suporte (47), viga elástica (48), opcional encosto mecânico (49) e cabeça marteladora (50). [0057] The mechanical device (40) is still composed of spools (41) and structure (42), in such a way that, when it has a ferromagnetic body (5) fixed at its end, it forms a mechanical system (45) that has, concomitantly: the natural frequency of the first bending vibration mode in the yz plane more influenced by the mass of the ferromagnetic body (5) embedded in the end of said device (40) than by the positioning of the ferromagnetic body (5) embedded in the end of the said device (40), compared to natural frequencies of other vibration modes of said mechanical system (45); and the natural frequency of the first torsion mode in the xz plane more influenced by the positioning of the ferromagnetic body (5) crimped at the end of said device (40) than by the mass of the ferromagnetic body (5) crimped at the end of said device (40), compared to natural frequencies of other vibration modes of said mechanical system (45). [0058] The Mechanical Device (40), may also have, in addition, a subsystem that performs the function of a modal hammer, consisting of a support (47), elastic beam (48), optional mechanical stop (49) and hammer head (50 ).
[0059] Por fim, a invenção engloba um Equipamento (52) configurado a realizar o método acima descrito, equipamento o qual compreende o Dispositivo mecânico (18) para medição de peso de um corpo ferromagnético (5) ou o Dispositivo mecânico (33) para medição de peso de um corpo ferromagnético (5) ou o Dispositivo mecânico (40) para de medição de massa do corpo ferromagnético (5), contendo ainda hardware e software de controle (54) e opcional manipulador de corpos (55). [0059] Finally, the invention encompasses an Equipment (52) configured to carry out the above-described method, equipment which comprises the Mechanical Device (18) for measuring the weight of a ferromagnetic body (5) or the Mechanical Device (33) for measuring the weight of a ferromagnetic body (5) or the Mechanical Device (40) for measuring the mass of a ferromagnetic body (5), also containing control hardware and software (54) and optional body manipulator (55).
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
[0060] Como apresentado nas soluções propostas pela presente invenção, abordam-se seis variantes da invenção, sendo que: [0060] As presented in the solutions proposed by the present invention, six variants of the invention are addressed, being that:
[0061] a “Variante A” é a aplicação do conceito “atrai-mede-solta” associado a uma pesagem por célula de carga, podendo ser utilizada quando o corpo a ser pesado tem composição ferromagnética; [0061] “Variant A” is the application of the concept “attract-measure-release” associated with weighing by load cell, and can be used when the body to be weighed has a ferromagnetic composition;
[0062] a “Variante B” é a aplicação do conceito “atrai-mede-solta” associado à pesagem por equivalência eletromagnética, utilizado quando o corpo possui composição ferromagnética; [0062] “Variant B” is the application of the “attract-me-and-release” concept associated with electromagnetic equivalence weighing, used when the body has a ferromagnetic composition;
[0063] a “Variante C” é a associação do conceito “atrai-mede-solta” à medição de massa por frequências naturais, também aplicada a corpos ferromagnéticos. [064] a “Variante D” é a aplicação da medição por frequências naturais sem a necessidade da concomitância da aplicação do conceito “atrai-mede-solta” e, consequentemente, sem a necessidade de o corpo possuir características ferromagnéticas. [0063] “Variant C” is the association of the concept “attract-measure-release” to the measurement of mass by natural frequencies, also applied to ferromagnetic bodies. [064] “Variant D” is the application of measurement by natural frequencies without the need for the concomitant application of the concept “attract-measure-release” and, consequently, without the need for the body to have ferromagnetic characteristics.
[0064] a “Variante E” consiste na junção de uma pesagem por célula de carga em adição ao conceito de equivalência eletromagnética, acima citados, visando obter informações da susceptibilidade magnética do corpo; e [0064] the "Variant E" consists of the addition of a weighing per load cell in addition to the concept of electromagnetic equivalence, mentioned above, in order to obtain information on the magnetic susceptibility of the body; and
[0065] Assim como a “Variante E”, a “Variante F” também visa obter informações das características magnéticas do corpo, contudo, através da junção de medição de massa por frequências naturais e o conceito de equivalência eletromagnética. [0065] Like the "Variant E", the "Variant F" also aims to obtain information on the magnetic characteristics of the body, however, through the junction of mass measurement by natural frequencies and the concept of electromagnetic equivalence.
Variante A [0066] A Figura 5 apresenta a visão esquemática básica da Variante A, que consiste em uma disposição mecânica (18) verticalmente em série de uma célula de carga (19), um eletroímã atuador (20) e sua respectiva e opcional cabeça de impacto (21 ). Opcionalmente, pode haver um elemento amortecedor (22) em paralelo com a célula de carga (19). Tal disposição mecânica está engastada a um suporte inercial (23) e intenta pesar um corpo (5) que possui propriedades ferromagnéticas. Variant A [0066] Figure 5 shows the basic schematic view of Variant A, which consists of a mechanical arrangement (18) vertically in series of a load cell (19), an actuator electromagnet (20) and its respective and optional impact head (21 ). Optionally, there may be a damping element (22) in parallel with the load cell (19). Such a mechanical arrangement is fixed to an inertial support (23) and intends to weigh a body (5) that has ferromagnetic properties.
[0067] Para fazer a medição, aciona-se eletricamente o eletroímã atuador (20) e este atrai o corpo (5), impactando-o e engastando-o contra o eletroímã atuador (20) ou contra a opcional cabeça de impacto (21 ). Após o referido engaste do corpo, faz-se a leitura do sinal elétrico da célula de carga (19) através da aplicação de métodos extensométricos conhecidos do estado da técnica, pesando-se o corpo (5). O acionamento do eletroímã atuador (20) e a leitura do sinal da célula de carga (19) são feitos por um ou hardwares eletro-eletrônico (24). São bem conhecidos os métodos e boas práticas para pesagens baseadas em células de carga, como a subtração da tara, calibração, etc. sendo tais métodos aplicáveis à Variante A. [0067] To make the measurement, the actuator electromagnet (20) is electrically activated and this attracts the body (5), impacting it and setting it against the actuator electromagnet (20) or against the optional impact head (21) ). After said crimping of the body, the electrical signal of the load cell (19) is read through the application of extensometric methods known in the state of the art, weighing the body (5). The activation of the actuator electromagnet (20) and the reading of the load cell signal (19) are performed by an electro-electronic hardware (24). Methods and best practices for load cell based weighing, such as tare subtraction, calibration, etc., are well known. such methods being applicable to Variant A.
[0068] Como o propósito é medir uma carga estática, deve-se evitar o uso de células de carga do tipo piezoelétricas que, embora muito rígidas, são mais aptas à medição de forças dinâmicas. Para cargas estáticas, é comum a aplicação de células de carga extensométricas, como descrito nos fundamentos da invenção. Contudo, células extensométricas possuem uma constituição de rigidez proporcional a seu range de medição, o que as torna, inevitavelmente, um elemento que favorece a ocorrência de vibrações no sistema. Sabe-se que vibrações são indesejáveis na medição de cargas estáticas e, para contornar o problema, a Variante A pode conter um elemento amortecedor (22) paralelo à célula de carga (19) a fim de dissipar a energia do impacto do corpo (5) e, consequentemente, minimizar ou eliminar a vibração. [0068] As the purpose is to measure a static load, one should avoid the use of piezoelectric load cells which, although very rigid, are more apt to measure dynamic forces. For static loads, it is common to apply strain gauge load cells, as described in the fundamentals of the invention. However, strain gauge cells have a stiffness constitution proportional to their measurement range, which makes them, inevitably, an element that favors the occurrence of vibrations in the system. It is known that vibrations are undesirable in the measurement of static loads and, to circumvent the problem, Variant A can contain a damping element (22) parallel to the load cell (19) in order to dissipate the energy of the impact of the body (5 ) and consequently minimize or eliminate vibration.
[0069] O meio mais fácil para se projetar o eletroímã atuador (20), bem como seu acionamento, é definir a tensão de aplicação a ser requerida por um eletroímã conhecido, dada por (adaptado de Physics, Chapter 32 Electromagnetic Induction - Robert Katz Publications):
Figure imgf000014_0001
em que U é tensão de a ser aplicada ao eletroímã atuador (20) (V); A é a área da seção transversal da bobina do eletroímã atuador (20) (m2); R é resistência da referida bobina ( ); n é quantidade de espiras do eletroímã atuador (20); d é o vão entre o corpo (5) e a face do eletroímã atuador (20) ou da opcional cabeça de impacto (21 ) (m); ch_ é a espessura da opcional cabeça de impacto (21 ) (m); mp é a massa do corpo (5) (kg); g é a aceleração da gravidade (m/s2); p é a constante magnética (adotada 4x^x10-7) e ô é um fator para ajuste do tipo de corpo (5). Tal fator ôé num número adimensional entre 0 e 1 , onde óferrite « 1 , e está correlacionado com a suscetibilidade magnética do corpo a ser atraído. A partir da definição da tensão de aplicação, analisa-se se o eletroímã atuador (20) suporta tamanha tensão para o tempo de suspensão do corpo (5) e leitura do peso. [0070] O tempo ti de suspensão do corpo (5) pode ser obtido, aproximadamente, por
Figure imgf000015_0001
onde Fe é a força que o eletroímã atuador (20) aplica ao corpo (5) no momento inicial da suspensão, dada por
Figure imgf000015_0002
[0069] The easiest way to design the actuator electromagnet (20), as well as its activation, is to define the application voltage to be required by a known electromagnet, given by (adapted from Physics, Chapter 32 Electromagnetic Induction - Robert Katz Publications):
Figure imgf000014_0001
where U is the voltage of a to be applied to the actuator electromagnet (20) (V); A is the cross-sectional area of the actuator electromagnet coil (20) (m 2 ); R is resistance of said coil ( ); n is the number of turns of the actuator electromagnet (20); d is the gap between the body (5) and the face of the actuator electromagnet (20) or the optional impact head (21) (m); ch_ is the thickness of the optional impact head (21) (m); m p is the mass of the body (5) (kg); g is the acceleration due to gravity (m/s 2 ); p is the magnetic constant (adopted 4x^x10 -7 ) and ô is a factor for adjusting the body type (5). Such a factor is a dimensionless number between 0 and 1, where oferrite is 1, and is correlated with the magnetic susceptibility of the body to being attracted. From the definition of the application voltage, it is analyzed whether the actuator electromagnet (20) supports such a voltage for the suspension time of the body (5) and weight reading. [0070] The time ti of suspension of the body (5) can be obtained, approximately, by
Figure imgf000015_0001
where F e is the force that the actuator electromagnet (20) applies to the body (5) at the initial moment of suspension, given by
Figure imgf000015_0002
[0071] Do ponto de vista de vibrações mecânicas, um sistema dinâmico que pode representar a versão básica da Variante A é encontrado na Figura 6. Como pode ser visto, minimiza-se a proposta para um sistema de um grau de liberdade. Considera-se a célula de carga (19) como um elemento puramente elástico, sem massa, com constante de rigidez kc. O opcional elemento amortecedor (22) possui uma constante de amortecimento c e a massa mt vibrante é dada pela soma das massas do eletroímã atuador (20) e da opcional cabeça de impacto (21 ) mec em adição à massa mp do corpo (5). [0071] From the point of view of mechanical vibrations, a dynamic system that can represent the basic version of Variant A is found in Figure 6. As can be seen, the proposal for a one-degree-of-freedom system is minimized. The load cell (19) is considered to be a purely elastic, massless element with stiffness constant k c . The optional damper element (22) has a damping constant c and the vibrating mass m t is given by the sum of the masses of the actuator electromagnet (20) and the optional impact head (21) m ec in addition to the mass m p of the body (5 ).
[0072] O dimensionamento do opcional elemento amortecedor (22) é tal que torne o sistema criticamente amortecido: deseja-se que o sistema não vibre e estabilize-se o mais rápido possível, para posterior medição de peso. Para tanto, a constante de amortecimento c necessária é encontrada a partir de
Figure imgf000015_0003
[0073] Também para contornar o problema de vibração, pode-se enrijecer o dispositivo para receber o impacto do corpo. Uma proposta nesta direção é vista no dispositivo funcional apresentado na Figura 7 e na Figura 8. Em tais figuras podem ser encontrados os componentes já mencionados anteriormente, além de um ou mais eletroímãs pré- tensionadores (25), um êmbolo (26), um ou mais opcionais elementos ferromagnéticos (27) e um estator (28). Em sistemas de pesagem convencionais, é comum a adoção de mais de uma célula de carga para contornar problemas de posicionamento do corpo, solução opcionalmente aplicável ao conceito inventivo proposto.
[0072] The dimensioning of the optional damping element (22) is such that it makes the system critically damped: it is desired that the system does not vibrate and stabilizes itself as quickly as possible, for later weight measurement. For this, the necessary damping constant c is found from
Figure imgf000015_0003
[0073] Also to circumvent the vibration problem, the device can be stiffened to receive the impact of the body. A proposal in this direction is seen in the functional device shown in Figure 7 and Figure 8. In such figures, the components already mentioned above can be found, in addition to one or more pre-tensioning electromagnets (25), a plunger (26), a or more optional ferromagnetic elements (27) and a stator (28). In conventional weighing systems, it is common to adopt more than one load cell to circumvent body positioning problems, a solution optionally applicable to the proposed inventive concept.
[0074] O estator (28) está engastado em um suporte inercial (23). Fixo ao estator (28), encontra-se o eletroímã pré-tensionador (25) e uma ou mais células de carga (19). O êmbolo (26) é flutuante dentro do sistema, e sustenta o eletroímã atuador (20), o opcional elemento ferromagnético (27) e o anel amortecedor (29). O opcional elemento ferromagnético (27) é necessário quando o êmbolo (26) é feito com um material não ferromagnético. A linha de tempo de atuação segue o diagrama da Figura 9, onde o tempo transcorre da esquerda para direita e está representada a atuação (30) do eletroímã pré-tensionador (25), a atuação (31 ) do eletroímã atuador (20) e a medição (32) de peso. [0074] The stator (28) is mounted on an inertial support (23). Fixed to the stator (28), is the pretensioner electromagnet (25) and one or more load cells (19). The plunger (26) is floating within the system, and holds the actuator electromagnet (20), the optional ferromagnetic element (27) and the damper ring (29). The optional ferromagnetic element (27) is required when the plunger (26) is made of a non-ferromagnetic material. The actuation time line follows the diagram in Figure 9, where the time runs from left to right and the actuation (30) of the pre-tensioner electromagnet (25), the actuation (31) of the actuator electromagnet (20) and the measurement (32) of weight.
[0075] O processo descreve as etapas: 1 - energiza-se o eletroímã pré-tensionador (25), atraindo o êmbolo (26) contra o estator (28) em suas faces cônicas, fazendo com que o sistema fique rígido na direção vertical, principalmente no sentido de baixo para cima; 2 - energiza-se o eletroímã atuador (20), que atrai e engasta o corpo (5) contra o próprio eletroímã atuador (20) ou contra a opcional cabeça de impacto (21 ); 3 - após o engaste do corpo (5), desenergiza-se o eletroímã pré-tensionador (25), fazendo com que a massa do êmbolo (26) e de tudo o que está engastado a ele (27;29;20;5) repouse sobre a(s) célula(s) de carga (19); 4 - efetua-se a medição de peso através da leitura do(s) sinal(is) da(s) célula(s) de carga (19); 5 - desenergiza-se o eletroímã atuador (25), permitindo que o corpo (5) caia. [0075] The process describes the steps: 1 - the pretensioner electromagnet (25) is energized, attracting the piston (26) against the stator (28) on its conical faces, making the system rigid in the vertical direction , mainly from the bottom to the top; 2 - the actuator electromagnet (20) is energized, which attracts and sets the body (5) against the actuator electromagnet itself (20) or against the optional impact head (21); 3 - after crimping the body (5), the pretensioner electromagnet (25) is de-energized, causing the mass of the plunger (26) and all that is crimped to it (27;29;20;5 ) rest on the load cell(s) (19); 4 - the weight measurement is carried out by reading the signal(s) of the load cell(s) (19); 5 - the actuator electromagnet (25) is de-energized, allowing the body (5) to fall.
[0076] [077] Ressalta-se que o vão entre o êmbolo (26) e a(s) célula(s) de carga (19), durante a etapa 2 ou entre o êmbolo (26) e o estator (28), durante a medição, é consideravelmente pequeno, o suficiente para desencostar o êmbolo (26) do estator (28) durante a medição. Isso garante que o impacto sobre a(s) célula(s) de carga (19) na etapa 4 seja pequeno e o sistema oscile com uma amplitude pequena e rapidamente dissipável. Considera-se a associação da pluralidade de células de carga (19), quando há, como um único elemento elástico, de forma que o sistema ainda possa ser simplificado para um grau de liberdade. Elimina-se a necessidade de um elemento amortecedor dedicado, sendo que a principal função do anel amortecedor (29) é distribuir o peso entre a pluralidade de células (19). O formato cônico da interface entre o estator (28) e o êmbolo (26) garante o posicionamento no plano horizontal, com o objetivo de minimizar variações de posicionamento que influenciam negativamente a pesagem. [0076] [077] It should be noted that the gap between the plunger (26) and the load cell(s) (19), during step 2 or between the plunger (26) and the stator (28) , during the measurement, is considerably small, enough to disengage the piston (26) from the stator (28) during the measurement. This ensures that the impact on the load cell(s) (19) in step 4 is small and the system oscillates with a small and rapidly dissipating amplitude. The association of the plurality of load cells (19) is considered, when there is, as a single elastic element, so that the system can still be simplified to one degree of freedom. The need for a dedicated damping element is eliminated, the main function of the damping ring (29) being to distribute the weight among the plurality of cells (19). The conical shape of the interface between the stator (28) and the piston (26) guarantees positioning in the horizontal plane, with the objective of minimizing positioning variations that negatively influence the weighing.
Variante B Variant B
[0077] A variante B visa pesar corpos ferromagnéticos que possuam susceptibilidades magnéticas iguais, como, por exemplo, peças iguais sendo produzidas em uma linha de produção. A Figura 10 esquematiza um dispositivo (33) funcional da Variante B, constituída do eletroímã atuador (20), da opcional cabeça de impacto (21 ) e do sensor de presença (34), que detecta a peça engastada ao eletroímã atuador (20) ou engastada à opcional cabeça de impacto (21 ). [0077] Variant B aims to weigh ferromagnetic bodies that have equal magnetic susceptibilities, such as, for example, equal parts being produced on a production line. Figure 10 schematizes a functional device (33) of Variant B, consisting of the actuator electromagnet (20), the optional impact head (21) and the presence sensor (34), which detects the part attached to the actuator electromagnet (20) or fixed to the optional impact head (21 ).
[0078] A linha de tempo da atuação consiste em: 1 - Energizar o eletroímã atuador (20) com potência suficiente para atrair o corpo (5) e engastá-lo contra o eletroímã atuador (20) ou contra a opcional cabeça de impacto (21 ); 2 - Reduzir gradativamente a potência aplicada ao eletroímã atuador (20), até que o peso do corpo (5) seja maior do que a força eletromagnética exercida pelo eletroímã atuador (20) contra o corpo (5), fazendo com que o corpo (5) desengaste-se do eletroímã atuador (20) ou da opcional cabeça de impacto (21 ) e inicie uma queda livre, instante detectado pelo sensor de presença (34). [0078] The actuation time line consists of: 1 - Energize the actuator electromagnet (20) with sufficient power to attract the body (5) and crimp it against the actuator electromagnet (20) or against the optional impact head ( 21 ); 2 - Gradually reduce the power applied to the actuator electromagnet (20), until the weight of the body (5) is greater than the electromagnetic force exerted by the actuator electromagnet (20) against the body (5), causing the body ( 5) disengage the actuator electromagnet (20) or the optional impact head (21) and start a free fall, instant detected by the presence sensor (34).
[0079] Uma vez que a susceptibilidade magnética dos corpos (5) a serem pesados é igual, a potência (ou tensão, se a resistência do circuito for constante) aplicada ao eletroímã atuador (20) no instante do desengaste é proporcional ao peso do corpo (5). [0079] Since the magnetic susceptibility of the bodies (5) to be weighed is equal, the power (or voltage, if the circuit resistance is constant) applied to the actuator electromagnet (20) at the instant of disengagement is proportional to the weight of the body (5).
[0080] O controle da potência aplicada ao eletroímã atuador (20) é dado por um sistema de controle (35) e pode ser feito de várias formas, sendo as mais comuns: através de um drive de corrente contínua, através de um inversor de frequência de corrente alternada ou, preferencialmente, utilizando um comando de PWM (acrônimo de pulse width modulation ou modulação de largura de pulso). A título de ilustração, a Figura 11 apresenta a linha de tempo de uma atuação por PWM da Variante B. As abscissas representam o tempo da esquerda para direita e as ordenadas referem-se à tensão aplicada ao eletroímã atuador (20). Em uma primeira fase (36), aciona-se o eletroímã atuador (20), que atrai o corpo (5) até o instante do engaste (37). O instante do engaste (37) pode ser determinado por tempo ou pela leitura do sensor de presença (34). Após o engaste, há um decremento gradual (38) da largura de pulso do acionamento do eletroímã atuador (20), até que o peso do corpo (5) seja maior do que a força eletromagnética exercida pelo eletroímã atuador (20) no corpo (5), instante (39) em que o sensor de presença (34) detecta o desengaste do corpo. Ressalta-se que a Figura 11 é esquemática com respeito à quantidade de pulsos, uma vez que, usualmente, a frequência de pulsação de um PWM é da ordem de kHz, o que tornaria a imagem mostrada no esquema da Figura 11 incompreensível por conter pulsos em demasia. O sistema de controle (35) é apto a identificar a largura de pulso no momento em que o sensor de presença (34) detecta o desengaste do corpo (5). O meio mais fácil de estimar o peso do corpo (5) é através de uma proporcionalidade à largura de pulso no instante do desengaste (39). [0080] The control of the power applied to the actuator electromagnet (20) is given by a control system (35) and can be done in several ways, the most common being: through a direct current drive, through a alternating current frequency or, preferably, using a PWM command (pulse width modulation). As an illustration, Figure 11 shows the time line of a PWM actuation of Variant B. The abscissas represent the time from left to right and the ordinates refer to the voltage applied to the actuator electromagnet (20). In a first phase (36), the actuator electromagnet (20) is activated, which attracts the body (5) until the moment of crimping (37). The moment of crimping (37) can be determined by time or by reading the presence sensor (34). after the crimping, there is a gradual decrease (38) in the pulse width of the actuator electromagnet (20) actuation, until the weight of the body (5) is greater than the electromagnetic force exerted by the actuator electromagnet (20) on the body (5) , instant (39) in which the presence sensor (34) detects the disengagement of the body. It is noteworthy that Figure 11 is schematic with respect to the number of pulses, since, usually, the pulse frequency of a PWM is in the order of kHz, which would make the image shown in the diagram of Figure 11 incomprehensible because it contains pulses. too much. The control system (35) is able to identify the pulse width at the moment when the presence sensor (34) detects the disengagement of the body (5). The easiest way to estimate the weight of the body (5) is through a proportionality to the pulse width at the moment of disengagement (39).
[0081] Devido a diferentes susceptibilidades magnéticas de corpos com constituições diferentes, o sistema deve ser calibrado usando corpos similares aos que serão pesados durante o uso. Utilizando tal calibração prévia, obtém-se a proporcionalidade entre a largura de pulso no instante do desengaste (39) e o peso do corpo (5). Opcionalmente, a estimativa de peso pode ser obtida através de regressões estatísticas, o que tende a fornecer melhor precisão do que uma simples proporcionalidade. [0081] Due to different magnetic susceptibilities of bodies with different constitutions, the system must be calibrated using bodies similar to those that will be weighed during use. Using this previous calibration, the proportionality between the pulse width at the time of disengagement (39) and the body weight (5) is obtained. Optionally, the weight estimate can be obtained through statistical regressions, which tends to provide better accuracy than simple proportionality.
Variante C Variant C
[0082] Enquanto a vibração livre gerada pelo impacto do corpo contra o eletroímã atuador ou contra a opcional cabeça de impacto é prejudicial à leitura de peso na Variante A, a Variante C visa utilizar exatamente esta vibração para estimar a massa do corpo. Como plano de fundo, seja o sistema mecânico de um grau de liberdade da Figura 6, em que kcc passe a representar a rigidez de uma estrutura genérica sem amortecimento. Portanto, c = 0. É possível encontrar a massa mp do corpo se a massa mec do eletroímã atuador e da opcional cabeça de impacto, a rigidez kcc da estrutura e a frequência natural angular o)„ do sistema forem determinadas, uma vez que
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[0082] While the free vibration generated by the impact of the body against the actuator electromagnet or against the optional impact head is harmful to the weight reading in Variant A, Variant C aims to use exactly this vibration to estimate the mass of the body. As a background, consider the one-degree-of-freedom mechanical system of Figure 6, where kcc represents the stiffness of a generic structure without damping. Therefore, c = 0. It is possible to find the mass m p of the body if the mass m ec of the actuator electromagnet and the optional impact head, the stiffness k cc of the structure and the natural angular frequency o)„ of the system are determined, a once
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[0083] Pode-se desenvolver uma estrutura com rigidez conhecida e medir a frequência natural do sistema, buscando a alteração na frequência natural que mp causa quando engastada ao sistema. Ressalta-se que, diferentemente da Variante A e da Variante B, a Variante C não mede peso, e sim, massa. [0084] Embora o modelo mínimo acima ilustre a ideia inicial, a aplicação direta mostra- se tecnicamente inviável ainda na fase teórica, uma vez que a montagem física é um sistema contínuo, com infinitos graus de liberdade, tornando muito relevante o posicionamento do corpo na estimativa de sua massa. Também é notório que alguns modos de vibração são mais afetados do que outros pela variação da massa do corpo. Com estas questões em mente, propõe-se desenvolver um dispositivo que possua um ou mais modos de vibração que tenham suas frequências naturais que se alterem em favor da detecção de mp enquanto possua outros modos de vibração sensíveis ao posicionamento de mp. Em outras palavras, propõe-se uma estrutura que possua modos de vibrações dentro da região espectral de medição que tenham respectivas frequências naturais que sejam: muito influenciadas pela variação de massa do corpo e pouco influenciadas pelo seu posicionamento; e pouco influenciadas pela variação de massa do corpo e muito influenciadas pelo seu posicionamento. [0083] You can develop a structure with known stiffness and measure the natural frequency of the system, looking for the change in the natural frequency that m p causes when fixed to the system. It is noteworthy that, unlike Variant A and Variant B, Variant C does not measure weight, but mass. [0084] Although the minimal model above illustrates the initial idea, the direct application is technically unfeasible even in the theoretical phase, since the physical assembly is a continuous system, with infinite degrees of freedom, making the positioning of the body very relevant. in estimating its mass. It is also well known that some modes of vibration are more affected than others by the variation of body mass. With these issues in mind, it is proposed to develop a device that has one or more vibration modes that have their natural frequencies that change in favor of m p detection while having other vibration modes sensitive to m p positioning. In other words, a structure is proposed that has modes of vibrations within the spectral region of measurement that have respective natural frequencies that are: heavily influenced by the variation of the body's mass and little influenced by its positioning; and little influenced by the variation of body mass and heavily influenced by its positioning.
[0085] Reunindo essas duas características em um único dispositivo, propõe-se identificar as frequências naturais dos modos de interesse e estimar a massa do corpo através de uma regressão estatística multivariável, em que as frequências naturais são as variáveis explanatórias. [0085] Bringing these two characteristics together in a single device, it is proposed to identify the natural frequencies of the modes of interest and estimate the body mass through a multivariable statistical regression, in which the natural frequencies are the explanatory variables.
[0086] A Figura 12, Figura 13 e a Figura 14 apresentam um dispositivo (40) desenvolvido com o intuito de atender tais características. Trata-se de um exemplo que pode ser tomado como uma solução funcional, não se limitando à única solução construtiva plausível: há inúmeras outras concepções que atendem aos objetivos da invenção. Chama-se a atenção para a definição das coordenadas x, y e z na Figura 14, necessárias à explanação. [0086] Figure 12, Figure 13 and Figure 14 show a device (40) developed in order to meet these characteristics. This is an example that can be taken as a functional solution, not limited to the only plausible constructive solution: there are numerous other conceptions that meet the objectives of the invention. Attention is drawn to the definition of the x, y and z coordinates in Figure 14, necessary for the explanation.
[0087] No referido exemplo funcional, o dispositivo (40) é engastado em suporte inercial (23) pelos quatro carretéis (41 ) que fazem função de fulcros. Os carretéis suspendem a estrutura (42), que possui uma geometria em formato de “8 aberto em uma extremidade”, ilustrado pela linha (43) espessa da Figura 15, formando uma “forquilha” voltada para baixo - linha (44) espessa da Figura 16 -, que sustenta um eletroímã atuador (20) com sua respectiva e opcional cabeça de impacto em cada uma das suas extremidades. Quando o corpo (5) está engastado para a medição de peso, ele fecha o formato de “8”, formando o chamado sistema mecânico (45). [0087] In said functional example, the device (40) is fixed to an inertial support (23) by the four spools (41) that act as fulcrums. The spools suspend the structure (42), which has a geometry in the shape of an “8 open at one end”, illustrated by the thick line (43) of Figure 15, forming a “fork” facing downwards - the thick line (44) of the Figure 16 -, which supports an actuator electromagnet (20) with its respective and optional impact head at each of its ends. When the body (5) is crimped for weight measurement, it closes the “8” shape, forming the so-called mechanical system (45).
[0088] As razões técnicas por trás da geometria do dispositivo (40) são: [0089] O formato esbelto da forquilha favorece o surgimento do primeiro modo de vibração de flexão no plano yz, que é sensível à variação de massa do corpo (5). Pode-se considerar tal modo de vibração como o de um sistema mecânico de um grau de liberdade em que é válida a relação mp = k / c , onde k é a constante de rigidez na direção de vibração e co é a frequência natural angular a ser medida. Portanto, espera-se uma relação aproximada e inversamente quadrática entre a massa do corpo (5) e a frequência natural no primeiro modo de vibração de flexão no plano yz [0088] The technical reasons behind the device geometry (40) are: [0089] The slender shape of the fork favors the emergence of the first bending vibration mode in the yz plane, which is sensitive to the body's mass variation (5). Such a mode of vibration can be considered as a one-degree-of-freedom mechanical system in which the relation m p = k / c is valid, where k is the stiffness constant in the vibration direction and co is the angular natural frequency to be measured. Therefore, we expect an approximate and inversely quadratic relationship between the mass of the body (5) and the natural frequency in the first bending vibration mode in the yz plane
[0090] A estrutura (42) possui vários alívios de peso triangulares que, por razões de resistência mecânica, servem para formar uma malha de treliças no plano xz, objetivando enrijecer a estrutura (42) no plano xz enquanto a mantém flexível no plano yz. A razão funcional por trás desta manipulação de rigidez é distanciar as frequências naturais dos primeiros modos de flexão nos planos xz e yz, reduzindo a frequência natural do primeiro modo de flexão no plano yz, bem como favorecendo sua amplitude. Também há finas regiões que ligam a estrutura (42) à região de engaste nos carretéis (41 ), com o objetivo de favorecer a amplitude do modo de vibração de compressão na direção z [0090] The structure (42) has several triangular weight reliefs that, for reasons of mechanical strength, serve to form a mesh of trusses in the xz plane, aiming to stiffen the structure (42) in the xz plane while keeping it flexible in the yz plane . The functional reason behind this manipulation of stiffness is to distance the natural frequencies of the first bending modes in the xz and yz planes, reducing the natural frequency of the first bending modes in the yz plane, as well as favoring its amplitude. There are also thin regions that connect the structure (42) to the crimping region on the spools (41), in order to favor the amplitude of the compression vibration mode in the z direction.
[0091] Os alívios de peso também são importantes para a sensibilidade do sistema (45) quanto à variação de massa do corpo (5): se a estrutura (42) tiver muita massa, o corpo (5) representa uma menor porcentagem da massa do sistema (45) que está a vibrar. Sobre o material a ser utilizado para a confecção da estrutura (42), sugerem-se metais leves e rígidos como o titânio, assim como se sugere um processo de fabricação por eletro- erosão, corte a laser ou corte a jato d’água; [0091] Weight relief is also important for the sensitivity of the system (45) to body mass variation (5): if the structure (42) has a lot of mass, the body (5) represents a smaller percentage of the mass of the system (45) that is vibrating. Regarding the material to be used for the construction of the structure (42), light and rigid metals such as titanium are suggested, as well as a manufacturing process by electro-erosion, laser cutting or water jet cutting;
[0092] Referente às estruturas com alívio que simulam o mecanismo de Roberval vistas nos fundamentos da invenção, foi exposto que seu propósito é deixar a deformação nos fulcros e pivôs menos suscetíveis ao posicionamento da carga. Para o presente desenvolvimento, propõe-se uma estrutura baseada no mecanismo de Roberval, porém, modificado para se obter a função inversa: deseja-se que o dispositivo (40) tenha um modo de vibração que seja altamente afetado pelo posicionamento da massa do corpo (5). Os carretéis (41 ) - feitos, sugestivamente, de um metal de baixa densidade, como o alumínio - fazem uma função similar a dos fulcros (4) na balança de Roberval (7), possuindo sua alma em forma de eixo cilíndrico, favorecendo o modo de vibração de torção no plano xz no qual os carretéis (41 ) superiores torcem axialmente no mesmo sentido dos respectivos carretéis (41 ) inferiores. Tal modo caracteriza um movimento oposto das duas pernas da forquilha (44). Como foi dito, embora a inspiração para o desenvolvimento deste modo venha da balança de Roberval, busca-se um resultado oposto: a frequência natural do modo de torção no plano xz é sensível ao posicionamento do corpo (5). Tal sensibilidade é devida à alteração de centro de massa ao longo da direção x. Em termos didáticos, para diferentes posicionamentos do corpo (5), o movimento de cada perna da forquilha (44) é parcialmente determinado pela restrição ocasionada pelo engaste do corpo (5) contra os eletroímãs atuadores (43) ou contra a opcional cabeça de impacto, sendo que o centro de massa do corpo (5) fica depositado em apenas uma das pernas, influenciando significativamente sua frequência natural. [0092] Regarding the structures with relief that simulate the Roberval mechanism seen in the fundamentals of the invention, it was exposed that its purpose is to make the deformation in the fulcrums and pivots less susceptible to the positioning of the load. For the present development, a structure based on the Roberval mechanism is proposed, however, modified to obtain the inverse function: it is desired that the device (40) has a vibration mode that is highly affected by the positioning of the body's mass. (5). The spools (41 ) - suggestively made of a low-density metal, such as aluminum - perform a similar function to the fulcrums (4) in the Roberval balance (7), having a cylindrical axis shape, favoring the torsional vibration mode in the xz plane in which the upper spools (41) twist axially in the same direction as the respective lower spools (41). Such a mode characterizes an opposite movement of the two fork legs (44). As has been said, although the inspiration for the development of this mode comes from the Roberval balance, an opposite result is sought: the natural frequency of the torsion mode in the xz plane is sensitive to the positioning of the body (5). Such sensitivity is due to the change in the center of mass along the x direction. In didactic terms, for different positioning of the body (5), the movement of each fork leg (44) is partially determined by the restriction caused by the crimping of the body (5) against the actuator electromagnets (43) or against the optional impact head. , with the body's center of mass (5) being deposited in only one of the legs, significantly influencing its natural frequency.
[0093] É desejado que as frequências naturais do dispositivo (40) sejam baixas tais que fiquem distantes das frequências naturais livre-livre do corpo (5). [0093] It is desired that the natural frequencies of the device (40) be low such that they are far from the free-free natural frequencies of the body (5).
[0094] Para alcançar os objetivos acima descritos, recomendam-se as dimensões críticas com base na Figura 18, sejam: a - tão grande quando o corpo (5) permitir; - tão pequeno quanto possível, limitado por razões estruturais; c - tão grande quanto possível, limitado pela frequência mínima que o sistema de aquisição lê com precisão, porque a primeira frequência natural de flexão no plano yz é inversamente proporcional a esta dimensão; d - tão pequeno quanto possível, limitado pela frequência mínima que o sistema de aquisição lê com precisão, porque a primeira frequência natural de flexão no plano yz é proporcional a esta dimensão; e, e - grande o suficiente para que o primeiro modo de vibração seja de flexão no plano yz. [0094] To achieve the objectives described above, the critical dimensions are recommended based on Figure 18, which are: a - as large as the body (5) allows; - as small as possible, limited for structural reasons; c - as large as possible, limited by the minimum frequency that the acquisition system accurately reads, because the first natural frequency of bending in the yz plane is inversely proportional to this dimension; d - as small as possible, limited by the minimum frequency that the acquisition system accurately reads, because the first natural frequency of bending in the yz plane is proportional to this dimension; e, e - large enough that the first mode of vibration is bending in the yz plane.
[0095] Para um range de medição de 250x10’3 kg a 450x10’3 kg com um corpo (5) de dimensões 60x10-3 m x 60x10’3 m x 25x10’3 m em x, y e z, respectivamente, sugerem-se as dimensões aproximadas: a = 52x10-3 m, (z>b = 2,5x10’3 m com 1 ,5x10’3 m de raio de transição, c = 160x10’3 m, d = 8x10’3 m e e = 15x10’3 m. [0095] For a measuring range from 250x10' 3 kg to 450x10' 3 kg with a body (5) of dimensions 60x10 -3 mx 60x10' 3 mx 25x10' 3 m in x, y and z, respectively, the dimensions are suggested approximate: a = 52x10 -3 m, (z>b = 2.5x10' 3 m with 1 .5x10' 3 m transition radius, c = 160x10' 3 m, d = 8x10' 3 m and e = 15x10' 3 m .
[0096] Com relação à identificação das frequências naturais dos modos de vibração de interesse, esta pode ser feita através de qualquer método de análise modal do estado da técnica. [0096] Regarding the identification of the natural frequencies of the vibration modes of interest, this can be done through any method of modal analysis of the state of the art.
[0097] Contudo, um bom compromisso entre custo, facilidade de implementação e satisfação dos resultados envolve as seguintes técnicas: a sensorização via microfone, posicionado próximo à estrutura; o sistema de aquisição de sinal através de conversor analógico-digital; a definição da frequência de amostragem pelo critério de Nyquist; o processamento espectral através de transformada rápida de Fourier; e a super resolução espectral através de spline cúbica. [0098] Propõe-se o desenvolvimento de um software dedicado à identificação das frequências naturais do sistema, fazendo parte do dispositivo proposto. [0097] However, a good compromise between cost, ease of implementation and satisfaction of the results involves the following techniques: sensing via microphone, positioned close to the structure; the signal acquisition system through an analog-to-digital converter; the definition of the sampling frequency by the Nyquist criterion; spectral processing through fast Fourier transform; and super spectral resolution through cubic spline. [0098] It is proposed the development of a software dedicated to the identification of the natural frequencies of the system, being part of the proposed device.
[0099] A aplicação da regressão multivariável que estima a massa do corpo (5) através das frequências naturais do sistema (45) também pode ser chamada de calibração. Tal calibração é descrita pelas etapas, de: 1 - seleciona-se uma amostra de corpos (5) que abranjam o range de medição tanto quanto possível; 2 - pesa-se cada corpo (5) da dita amostra em uma balança calibrada, registrando as respectivas massas de cada corpo (5). Tal conjunto de massas é a variável independente da regressão; 3 - submete-se cada corpo (5) ao impacto e engaste ao dispositivo (40), registrando as frequências naturais dos modos de vibração de interesse. Tais frequências naturais são as variáveis explanatórias da regressão. Sugerem-se várias submissões de cada elemento, de forma que uma variação de posicionamento seja contemplada; e 4 - executa-se um método de regressão estatística disponível no estado da técnica utilizando a variável independente e as variáveis explanatórias, de forma a se estimar a massa de cada corpo (5) da dita amostra; registram-se os parâmetros e a equação resultante da regressão. [0099] The application of multivariable regression that estimates the body mass (5) through the natural frequencies of the system (45) can also be called calibration. Such calibration is described by the steps of: 1 - a sample of bodies (5) is selected that cover the measurement range as much as possible; 2 - each body (5) of said sample is weighed on a calibrated balance, recording the respective masses of each body (5). Such a set of masses is the independent variable of the regression; 3 - each body (5) is subjected to impact and crimped to the device (40), recording the natural frequencies of the vibration modes of interest. Such natural frequencies are the explanatory variables of the regression. Several submissions of each element are suggested, so that a variation of positioning is contemplated; and 4 - a statistical regression method available in the state of the art is performed using the independent variable and the explanatory variables, in order to estimate the mass of each body (5) of said sample; the parameters and the equation resulting from the regression are recorded.
[00100] Tais parâmetros e equação passam a ser utilizados para se estimar a massa dos novos corpos (5) a serem medidos, caracterizando o uso da proposta. [00100] Such parameters and equation are now used to estimate the mass of the new bodies (5) to be measured, characterizing the use of the proposal.
[00101] Propõe-se o desenvolvimento de um código-fonte dedicado à dita regressão estatística, sendo que tal código-fonte pode estar contido ao software utilizado para detectar as frequências naturais do sistema. Tal software também pode ser o mesmo que estima a massa dos corpos (5) durante o uso da proposta. [00101] It is proposed the development of a source code dedicated to the said statistical regression, and such source code can be contained in the software used to detect the natural frequencies of the system. Such software can also be the same that estimates the mass of the bodies (5) during the use of the proposal.
Variante D Variant D
[00102] Conforme exposto nos fundamentos da invenção, a Variante D baseia-se na Variante C, com a seguinte diferença conceituai: não é necessário que o dispositivo atraia o corpo eletromagneticamente e, consequentemente, não é necessário que o corpo tenha composição ferromagnética. [00102] As explained in the grounds of the invention, Variant D is based on Variant C, with the following conceptual difference: it is not necessary for the device to attract the body electromagnetically and, consequently, it is not necessary for the body to have a ferromagnetic composition.
[00103] Para uma medição vertical similar ao processo tradicional de balanças em geral, em que o corpo é colocado sobre o dispositivo de medição, propõe-se o dispositivo 45 visto na Figura 18 e Figura 19. Como pode ser visto, rotaciona-se o sistema (40) da Variante C em 180 graus em torno do eixo y e eliminam-se os eletroímãs atuadores (20). [00104] Opcionalmente, adiciona-se uma bandeja (46) para facilitar a colocação do corpo. Acerca de tal bandeja (46), esta pode ser: 1 - flexível tal que não venha a fechar o formato de “oito aberto em uma extremidade”, do ponto de vista de análise modal. Ou seja, flexível de forma a não influenciar significativamente o modo de vibração de torção no plano xz, fazendo com que seja o corpo o responsável por executar a função de fechar o formato de “oito aberto em uma extremidade”; e 2 - magnetizada para facilitar o engaste do corpo, quando este for ferromagnético, a fim de garantir uma vibração sem deslizamento entre o corpo e a bandeja (46); projetada de tal forma que não possua frequências naturais que se confundam com as frequências naturais úteis para a medição; e 3 - feita com material de alto amortecimento ou receber revestimentos que visam amortecer sua vibração, a fim de minimizar a influência de suas frequências naturais na medição. [00103] For a vertical measurement similar to the traditional process of scales in general, in which the body is placed on the measuring device, we propose the device 45 seen in Figure 18 and Figure 19. As can be seen, it rotates the system (40) of Variant C by 180 degrees around the y-axis and the actuator electromagnets (20) are eliminated. [00104] Optionally, a tray (46) is added to facilitate the placement of the body. Regarding such a tray (46), it can be: 1 - flexible so that it does not close the “eight open at one end” format, from the point of view of modal analysis. That is, flexible so as not to significantly influence the torsional vibration mode in the xz plane, making the body responsible for performing the function of closing the “open eight at one end” shape; and 2 - magnetized to facilitate the crimping of the body, when it is ferromagnetic, in order to guarantee a vibration without slipping between the body and the tray (46); designed in such a way that it does not have natural frequencies that are confused with the natural frequencies useful for the measurement; and 3 - made with high damping material or receive coatings that aim to dampen its vibration, in order to minimize the influence of its natural frequencies on the measurement.
[00105] Assim como na Variante C, a medição requer que as frequências naturais do sistema sejam excitadas. Tal excitação pode ser gerada pelo impacto do próprio corpo contra o dispositivo (45) ou por algum mecanismo externo, como um martelo modal apropriado, um excitador dinâmico ou por elementos piezoelétricos. [00105] As in Variant C, the measurement requires that the natural frequencies of the system be excited. Such excitation can be generated by the impact of the body itself against the device (45) or by some external mechanism, such as an appropriate modal hammer, a dynamic exciter or by piezoelectric elements.
[00106] Quando se opta por uma excitação que não seja o impacto do próprio corpo, recomenda-se que a excitação seja em uma direção que favoreça a amplitude de todos os modos de vibração a serem utilizados na estimativa da massa do corpo. Para o caso do dispositivo (45) sugerido na Figura 18 e Figura 19, a direção ideal dá-se por um vetor inclinado a 45° nos planos xz e yz. [00106] When opting for an excitation other than the impact of the body itself, it is recommended that the excitation be in a direction that favors the amplitude of all vibration modes to be used in the estimation of the body's mass. For the case of the device (45) suggested in Figure 18 and Figure 19, the ideal direction is given by a vector inclined at 45° in the xz and yz planes.
[00107] Um subsistema com a função do referido martelo modal é mostrado na Figura 20, Figura 21 , Figura 22 e Figura 23. Tal subsistema é composto por um suporte (47) que é esgastado em algum lugar inerte, como a parte não vibrante dos carretéis (41 ). Na outra extremidade do suporte (47) é engastada a extremidade de uma viga elástica (48), bem como um opcional encosto mecânico (49). Na outra extremidade de tal viga elástica é engastada uma cabeça marteladora (50). Para propiciar uma melhor repetibilidade nos impactos, a estrutura (42) pode ter uma protuberância (51 ) que forma uma face perpendicular à direção de impacto (tal protuberância (51 ) também é útil para outros tipos de excitação, como por excitador dinâmico ou por elementos piezoelétricos). O uso de tal subsistema consiste em simplesmente em puxar e soltar a cabeça marteladora (50) ou a viga elástica (48) no sentido oposto à estrutura (42), impondo um deslocamento inicial na viga elástica (48) e, consequentemente, na cabeça marteladora (50), que vibrará livremente devido à elasticidade da viga elástica (48). Quando há o opcional encosto mecânico (49), o puxão deve ser até o contato da cabeça marteladora (50) ou da viga elástica (48) com o encosto mecânico (49). A vibração livre da cabeça marteladora (50) implica em um impacto da cabeça marteladora (50) contra a estrutura (42) ou contra sua opcional protuberância (51 ). A excitação modal do sistema mecânico, requerida para a medição de massa do corpo, é dada, portanto, pelo referido impacto. O subsistema proposto oferece o benefício de ser acoplado ao dispositivo e possibilita a excitação sempre na direção ideal. O opcional encosto mecânico (49) oferece proteção à viga elástica (48) contra excesso de deslocamento durante o puxão, além de garantir excitações com repetibilidade de força. [00107] A subsystem with the function of said modal hammer is shown in Figure 20, Figure 21, Figure 22 and Figure 23. Such subsystem is composed of a support (47) that is worn somewhere inert, such as the non-vibrating part of the spools (41 ). At the other end of the support (47) the end of an elastic beam (48) is crimped, as well as an optional mechanical stop (49). At the other end of such an elastic beam, a hammer head (50) is crimped. To provide better repeatability in impacts, the structure (42) can have a bulge (51) that forms a face perpendicular to the impact direction (such bulge (51) is also useful for other types of excitation, such as by dynamic exciter or by piezoelectric elements). The use of such a subsystem consists of simply pulling and releasing the hammering head (50) or the elastic beam (48) in the opposite direction to the structure (42), imposing an initial displacement on the elastic beam (48) and, consequently, on the head. hammer (50), which will vibrate freely due to the elasticity of the elastic beam (48). When there is the optional mechanical stop (49), the pull must be up to the contact of the hammer head (50) or the elastic beam (48) with the mechanical stop (49). The free vibration of the hammer head (50) implies an impact of the hammer head (50) against the structure (42) or against its optional bulge (51). The modal excitation of the mechanical system, required for the measurement of body mass, is therefore given by said impact. The proposed subsystem offers the benefit of being coupled to the device and allows the excitation always in the ideal direction. The optional mechanical stop (49) provides protection to the elastic beam (48) against excessive displacement during pulling, in addition to guaranteeing excitations with force repeatability.
Variante E e Variante F Variant E and Variant F
[00108] A Variante E e a Variante F tratam de dispositivos que visam estimar a susceptibilidade magnética de corpos ferromagnéticos. Para a maioria dos materiais de engenharia, em especial os materiais compósitos de constituição homogênea, a susceptibilidade magnética tem relação direta com a quantidade de material ferromagnético contido no material, se forem considerados corpos de mesma geometria. Exemplos de materiais compósitos de constituição homogênea incluem materiais de atrito utilizados em pastilhas e lonas de freios, enquanto o exemplo mais claro para material ferromagnético é o próprio ferro. Portanto, a Variante E e Variante F também visam estimar a quantidade de ferro contida no corpo, podendo ser particularmente útil em práticas de engenharia reversa de lonas e pastilhas de freio. [00108] Variant E and Variant F deal with devices that aim to estimate the magnetic susceptibility of ferromagnetic bodies. For most engineering materials, especially composite materials of homogeneous constitution, the magnetic susceptibility is directly related to the amount of ferromagnetic material contained in the material, if bodies of the same geometry are considered. Examples of homogeneously constituted composite materials include friction materials used in brake pads and linings, while the clearest example for ferromagnetic material is iron itself. Therefore, Variant E and Variant F are also aimed at estimating the amount of iron contained in the body and can be particularly useful in reverse engineering practices of brake linings and pads.
[00109] Seja uma pesagem como descrita na Variante A ou uma medição de massa como descrita na Variante C, onde é adicionado o conceito principal da Variante B, que se refere à detecção da potência aplicada ao eletroímã atuador no momento do desengaste do corpo. Chama-se de Variante E a concomitância da Variante A com a Variante B e chama-se de Variante F a concomitância da Variante C com a Variante B. A disposição mecânica da Variante E é idêntica à da Variante A, com a exceção de que se requer o sensor de presença (34), assim como a disposição mecânica da Variante F é idêntica à da Variante C, com a exceção de que se requer o sensor de presença (34). [00109] Either a weighing as described in Variant A or a mass measurement as described in Variant C, where the main concept of Variant B is added, which refers to the detection of the power applied to the actuator electromagnet at the moment of disengagement from the body. The concomitance of Variant A with Variant B is called Variant E and the concomitance of Variant C with Variant B is called Variant F. The mechanical arrangement of Variant E is identical to that of Variant A, with the exception that presence sensor (34) is required, and the mechanical arrangement of Variant F is identical to that of Variant C, with the exception that the presence sensor (34) is required.
[00110] Para calibrar o sistema para estimar a susceptibilidade magnética (ou quantidade de ferro) de corpos de mesma geometria, propõe-se o método baseado em regressão estatística: 1 - calibra-se a leitura de peso ou massa de acordo com as técnicas descritas na Variante A e Variante C, para a Variante E e Variante F, respectivamente; 2 - seleciona-se uma amostra de corpos que abranja o range de suscetibilidade magnética (ou quantidade de ferro) tanto quanto possível; 3 - obtém-se a susceptibilidade magnética (ou quantidade de ferro) de cada corpo da amostra através de cálculo teórico ou medição prática, utilizando qualquer meio conhecido no estado da técnica. Tal conjunto de susceptibilidades magnéticas é a variável independente da regressão; 4 - submete-se cada corpo ao engaste e desengaste do eletroímã atuador, registrando a potência aplicada ao eletroímã atuador no momento do desengaste. Tal potência é a variável explanatória da regressão. Chama-se a atenção que um posicionamento bem definido e repetível do corpo sob o eletroímã atuador oferece melhores resultados; 5 - executa-se um método de regressão estatística disponível no estado da técnica utilizando a variável independente e a variável explanatória, de forma a se estimar a susceptibilidade magnética (ou quantidade de ferro) de cada corpo da dita amostra; e 6 - registram-se os parâmetros e a equação resultante da regressão. [00110] To calibrate the system to estimate the magnetic susceptibility (or amount of iron) of bodies of the same geometry, a method based on statistical regression is proposed: 1 - the weight or mass reading is calibrated according to the techniques described in Variant A and Variant C, for Variant E and Variant F, respectively; 2 - a sample of bodies is selected that covers the range of magnetic susceptibility (or amount of iron) as much as possible; 3 - the magnetic susceptibility (or amount of iron) of each sample body is obtained through theoretical calculation or practical measurement, using any means known in the state of the art. Such a set of magnetic susceptibilities is the independent variable of the regression; 4 - each body is subjected to the crimping and unsetting of the actuator electromagnet, recording the power applied to the actuator electromagnet at the time of disengagement. Such power is the explanatory variable of the regression. It should be noted that a well-defined and repeatable positioning of the body under the actuator electromagnet offers better results; 5 - a statistical regression method available in the state of the art is performed using the independent variable and the explanatory variable, in order to estimate the magnetic susceptibility (or amount of iron) of each body of said sample; and 6 - the parameters and the equation resulting from the regression are recorded.
[00111] Tais parâmetros e equação passam a ser utilizados para se estimar a susceptibilidade magnética (ou quantidade de ferro) dos novos corpos a serem medidos. [00111] Such parameters and equation are now used to estimate the magnetic susceptibility (or amount of iron) of the new bodies to be measured.
Aplicação da invenção em uma linha de produção Application of the invention on a production line
[00112] É notória a facilidade de implementação da Variante A, Variante B, Variante C, Variante E e Variante F em linhas de produção, como, por exemplo, por meio de simples fixação dos respectivos dispositivos em estruturas inerciais sobre esteiras que transportam peças. Diante desta facilidade, a Figura 24 propõe um equipamento (52) para qualificação, classificação ou seleção de peças produzidas (53). Tal equipamento (52) é composto pelos dispositivos (18 ou 33 ou 40), pelo hardware e software de controle (54) e por um opcional manipulador de peças (55). Tal manipulador (55) é apto a desviar o fluxo das peças (53), de acordo com o resultado da medição ou do resultado da referida análise. [00113] Através de tal equipamento (52), é possível, por exemplo, analisar a tendência estatística da produção e, quando o manipulador (55) está presente, é possível qualificar peças (53) entre conformes e não conformes, classificar peças (53) em várias categorias ou selecionar peças (53) com características específicas. Propõe-se que a dita qualificação, classificação ou seleção das peças seja baseada em simples comparação com valores pré-estabelecidos, bem como com dados estatísticos de peças previamente medidas, bem como algoritmo de redes neurais artificiais. [00112] The ease of implementation of Variant A, Variant B, Variant C, Variant E and Variant F in production lines is notorious, such as, for example, by means of simple fixing of the respective devices in inertial structures on belts that transport parts . Given this facility, Figure 24 proposes equipment (52) for qualification, classification or selection of produced parts (53). Such equipment (52) consists of devices (18 or 33 or 40), control hardware and software (54) and an optional parts handler (55). Such manipulator (55) is able to divert the flow of the parts (53), according to the result of the measurement or the result of said analysis. [00113] Through such equipment (52), it is possible, for example, to analyze the statistical trend of production and, when the manipulator (55) is present, it is possible to classify pieces (53) between compliant and non-compliant, classify pieces ( 53) in various categories or select parts (53) with specific characteristics. It is proposed that the said qualification, classification or selection of parts be based on a simple comparison with pre-established values, as well as with statistical data of previously measured parts, as well as an artificial neural network algorithm.
EXEMPLO DE CONCRETIZAÇÃO DA INVENÇÃO EXAMPLE OF EMBODIMENT OF THE INVENTION
[00114] A aplicabilidade bem sucedida da Variante A e Variante B e, consequentemente, da Variante E é clara para um técnico no assunto, de forma que exemplos de concretização não agregariam em matéria. O reforço explanatório recai, portanto, à estimativa de massa por frequências naturais, de maneira que o exemplo tratado nesta seção aplica-se à Variante C e, por consequência, à Variante D e Variante F. [00115] Propõe-se o dispositivo (40) descrito na variante C com as dimensões do Parágrafo [0095]. Deseja-se que o dispositivo (40) meça quatro tipos diferentes de corpos (5), chamados de PN1 , PN2, PN3 e PN4, que são peças produzidas em uma linha de produção industrial. Tais peças são representadas por paralelepípedos de aço com 60x10-3 m x 60x10-3 m em x e y. O range de massas possíveis de cada tipo de peça encontra-se na Tabela 1 , bem como as respectivas resoluções requeridas: [00114] The successful applicability of Variant A and Variant B and, consequently, of Variant E is clear to a person skilled in the art, so that examples of embodiment would not add to the matter. The explanatory reinforcement therefore falls on the estimation of mass by natural frequencies, so that the example discussed in this section applies to Variant C and, consequently, to Variant D and Variant F. [00115] The device (40) described in variant C with the dimensions of Paragraph [0095] is proposed. It is desired that the device (40) measures four different types of bodies (5), called PN1, PN2, PN3 and PN4, which are parts produced on an industrial production line. Such pieces are represented by steel parallelepipeds with 60x10 -3 mx 60x10 -3 m in x and y. The range of possible masses of each type of part can be found in Table 1, as well as the respective required resolutions:
Tabela 1
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Table 1
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[00116] As resoluções são definidas como 10% do range de massas possíveis, de acordo com manuais do sistema da qualidade como o MSA (Measurement System Analysis) da ISO QS 9000. Como pode ser visto na Tabela 1 , a peça mais pesada possível tem uma massa de 382,6x10’3 kg (PN2), a peça mais leve tem uma massa de 297,7x10’3 kg (PN4) e a menor resolução é de 0,69x10’3 kg (PN2). Portanto, define-se um range de medição com certa margem de segurança de 250x10’3 kg a 450x10’3 kg com uma resolução de 0,69x10-3 kg, o que implica em 290 graduações. [00116] Resolutions are defined as 10% of the possible mass range, according to quality system manuals such as the MSA (Measurement System Analysis) of ISO QS 9000. As can be seen in Table 1, the heaviest part possible has a mass of 382.6x10' 3 kg (PN2), the lightest part has a mass of 297.7x10' 3 kg (PN4) and the smallest resolution is 0.69x10' 3 kg (PN2). Therefore, a measurement range is defined with a certain safety margin from 250x10' 3 kg to 450x10' 3 kg with a resolution of 0.69x10 -3 kg, which implies 290 graduations.
[00117] É proposta uma análise via simulações através do Método dos Elementos Finitos. Definem-se oito espessuras para os referidos paralelepípedos de aço, gerando os corpos Ci a Cs, de acordo com a Tabela 2. [00117] An analysis is proposed via simulations using the Finite Element Method. Eight thicknesses are defined for the aforementioned steel parallelepipeds, generating the bodies Ci to Cs, according to Table 2.
Tabela 2
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[00118] Como pode ser visto, a definição das espessuras é dada em quatro regiões Ri, R2, Ra e R4, que contemplam os extremos do range (Ri,e R4) e regiões intermediárias (R2,e R3), igualmente espaçadas em massa. Propõe-se um par de corpos para cada região, tal que se distanciam em massa de acordo com a resolução proposta - 0,69x10’3 kg. A amostragem do range completo é particularmente importante para se evitar a necessidade de uma indesejável extrapolação do modelo. Também se chama a atenção à minúscula diferença em espessura em cada par de corpos, na ordem de 20x10’6 m (dois centésimos de milímetro).
Table 2
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[00118] As can be seen, the definition of thickness is given in four regions Ri, R2, Ra and R4, which include the extremes of the range (Ri, and R4) and intermediate regions (R2, and R3), equally spaced in pasta. A pair of bodies is proposed for each region, such that they are separated in mass according to the proposed resolution - 0.69x10' 3 kg. Sampling the full range is particularly important to avoid the need for undesired model extrapolation. Attention is also drawn to the minuscule difference in thickness in each pair of bodies, in the order of 20x10' 6 m (two hundredths of a millimeter).
[00119] Com respeito à variação de posicionamento, definem-se três posições na direção x, chamadas de Po, P2 e P4, sendo Po centrado, P2 = 2x10’3 m e P4 = 4x10’3 m, conforme a Figura 25. [00119] With respect to the positioning variation, three positions are defined in the x direction, called Po, P2 and P4, with Po centered, P2 = 2x10' 3 m and P4 = 4x10' 3 m, as shown in Figure 25.
[00120] Executa-se a análise pelo Método dos Elementos Finitos do dispositivo com os oito corpos Ci a Cs engastados, em cada uma das três posições Po, P2 e P4, gerando 24 simulações. Como resultado, obtêm-se as frequências fi, fs e fe que se referem às frequências naturais dos modos de vibração de flexão em x, torção em y e compressão em z, respectivamente, conforme a Tabela 3. [00120] The analysis is performed using the Finite Element Method of the device with the eight bodies Ci to Cs fixed in each of the three positions Po, P2 and P4, generating 24 simulations. As a result, the frequencies fi, fs and fe are obtained, which refer to the natural frequencies of the vibration modes of bending in x, torsion in y and compression in z, respectively, according to Table 3.
Tabela 3
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Table 3
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[00121] Para 0 exemplo em questão, sugere-se a estimativa de massa do corpo através da aplicação de um polinómio da forma
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em que os parâmetros assumem os valores A = 3732,940; B = 37,2469; C = -4,01983; D = -3,62683; E = -684,829x10’3; F = 1 ,37654x10’3; G = 1 ,05097x10’3; H = 1 ,35054x10’3. O critério para aceitação da proposta é dado pela simples análise dos resíduos: para qualquer elemento, deseja-se um resíduo menor do que a resolução estipulada de 0,69x10’3 kg. A Tabela 4 apresenta as estimativas e os resíduos, onde pode ser visto um resíduo máximo de 0,13x10’3 kg, o que valida a boa aplicabilidade da proposta. A título de reflexão, aplicar apenas uma frequência natural dentre fi, fa e fó em qualquer tipo de regressão conhecida do estado da técnica gera resíduos que chegam a ser maiores do que a resolução.
[00121] For the example in question, it is suggested to estimate the mass of the body through the application of a polynomial of the form
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where the parameters assume the values A = 3732,940; B = 37.2469; C = -4.01983; D = -3.62683; E = -684.829x10'3 ; F = 1.37654x10'3 ; G = 1.05097x10'3 ; H = 1.35054x10'3 . The criterion for acceptance of the proposal is given by the simple analysis of residues: for any element, a residue smaller than the stipulated resolution of 0.69x10' 3 kg is desired. Table 4 presents the estimates and the residues, where a maximum residue of 0.13x10' 3 kg can be seen, which validates the good applicability of the proposal. By way of reflection, applying only one natural frequency among fi, fa and fó in any type of regression known from the state of the art generates residues that are even greater than the resolution.
Tabela 4
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Table 4
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Claims

27 REIVINDICAÇÕES 27 CLAIMS
1. MÉTODO PARA MEDIÇÃO DE PARÂMETROS FÍSICOS DE CORPOS, sendo o método destinado à medição de massa ou peso de um corpo ferromagnético (5), caracterizado por compreender etapas que incluem: 1. METHOD FOR MEASURING PHYSICAL PARAMETERS OF BODIES, being the method intended for the measurement of mass or weight of a ferromagnetic body (5), characterized by comprising steps that include:
- acionamento de um ou de uma pluralidade de eletroímãs atuadores (20), resultando em atração eletromagnética, de baixo para cima, do corpo (5) pelo(s) eletroímã(s) atuador(es) (20); - actuation of one or a plurality of actuator electromagnets (20), resulting in electromagnetic attraction, from the bottom up, of the body (5) by the actuator electromagnet(s) (20);
- engaste do corpo (5) contra o(s) eletroímã(s) atuador(es) (20) ou contra uma ou uma pluralidade de cabeças de impacto (21 ), devido à força eletromagnética exercida pelo eletroímã(s) atuador(es) (20); - body crimping (5) against the electromagnet(s) actuator(s) (20) or against one or a plurality of impact heads (21), due to the electromagnetic force exerted by the electromagnet(s) actuator(s) ) (20);
- medição de massa ou peso propriamente dita do corpo (5), contendo a leitura de um sinal correlacionado com a massa ou peso do corpo (5); - measurement of mass or weight itself of the body (5), containing the reading of a signal correlated with the mass or weight of the body (5);
- desacionamento do(s) eletroímã(s) atuador(es) (20); e - deactivation of the actuator(s) electromagnet(s) (20); and
- queda do corpo (5) por força peso do corpo (5). - fall of the body (5) by force of the weight of the body (5).
2. MÉTODO PARA MEDIÇÃO DE PARÂMETROS FÍSICOS DE CORPOS, sendo o método destinado à determinação da susceptibilidade magnética ou para determinação da quantidade de material ferromagnético ou para determinação da quantidade de ferro em um corpo ferromagnético (5), caracterizado por compreender as etapas que incluem:2. METHOD FOR MEASURING PHYSICAL PARAMETERS OF BODIES, being the method intended for determining the magnetic susceptibility or for determining the amount of ferromagnetic material or for determining the amount of iron in a ferromagnetic body (5), characterized by comprising the steps that include :
- acionamento de um ou de uma pluralidade de eletroímãs atuadores (20), resultando em atração eletromagnética, de baixo para cima, do corpo (5) pelo(s) eletroímã(s) atuador(es) (20); - actuation of one or a plurality of actuator electromagnets (20), resulting in electromagnetic attraction, from the bottom up, of the body (5) by the actuator electromagnet(s) (20);
- engaste do corpo (5) contra o(s) eletroímã(s) atuador(es) ou contra uma ou uma pluralidade de cabeça(s) de impacto (20), devido à força eletromagnética exercida pelo(s) eletroímã(s) atuador(es) (20); - body crimping (5) against the actuator(s) electromagnet(s) or against one or a plurality of impact head(s) (20), due to the electromagnetic force exerted by the electromagnet(s) actuator(s) (20);
- medição de massa ou peso do corpo (5), contendo a leitura de um sinal correlacionado com a massa ou peso do corpo (5); - measurement of mass or weight of the body (5), containing the reading of a signal correlated with the mass or weight of the body (5);
- decremento gradual da força eletromagnética do(s) eletroímã(s) atuador(es) (20) até que esta referida força eletromagnética seja menor do que a força peso do corpo (5); - gradual decrease of the electromagnetic force of the actuator(s) electromagnet(s) (20) until said electromagnetic force is less than the weight force of the body (5);
- leitura da potência ou tensão instantânea aplicada ao(s) eletroímã(s) atuador(es) (20) no instante final da etapa 4; e - reading of the instantaneous power or voltage applied to the electromagnet(s) actuator(s) (20) at the final instant of step 4; and
- queda do corpo (5) por força peso do corpo (5). - fall of the body (5) by force of the weight of the body (5).
3. MÉTODO, sendo o método destinado à medição de peso de um corpo (5), ou destinado à determinação da susceptibilidade magnética ou destinado à determinação da quantidade de material ferromagnético ou destinado à determinação da quantidade de ferro em um corpo ferromagnético (5), de acordo com a Reivindicação 1 ou 2, caracterizado pela medição de peso da etapa medição de massa ser obtida pelo processamento de um sinal vindo de uma ou de uma pluralidade de células de carga (19), dispostas verticalmente em série com o corpo (5) e, quando em pluralidade, paralelas entre si; 3. METHOD, being the method intended to measure the weight of a body (5), or intended to determine the magnetic susceptibility or intended to determine the amount of ferromagnetic material or intended to determine the amount of iron in a ferromagnetic body (5) , according to Claim 1 or 2, characterized in that the weight measurement of the mass measurement step is obtained by processing a signal coming from one or a plurality of load cells (19), arranged vertically in series with the body ( 5) and, when in plurality, parallel to each other;
4. MÉTODO, sendo o método destinado à medição de peso de um corpo (5), de acordo com a Reivindicação 1 , caracterizado pela medição de peso da etapa medição de massa ser obtida pelo decremento gradual da força eletromagnética aplicada ao(s) eletroímã(s) atuador(es) (20), até que a força peso, exercida naturalmente pelo corpo (5), seja maior do que a força eletromagnética exercida pelo(s) eletroímã(s) atuador(es) (20), ocasionando a soltura eletromagnética do corpo (5) em simultâneo com leitura da potência ou tensão instantânea aplicada ao(s) eletroímã(s) atuador(es) (20); 4. METHOD, being the method intended for measuring the weight of a body (5), according to Claim 1, characterized in that the weight measurement of the mass measurement step is obtained by the gradual decrease of the electromagnetic force applied to the electromagnet(s) (s) actuator(s) (20), until the weight force, exerted naturally by the body (5), is greater than the electromagnetic force exerted by the electromagnet(s) actuator(s) (20), causing the electromagnetic release of the body (5) simultaneously with reading of the power or instantaneous voltage applied to the electromagnet(s) actuator(s) (20);
5. MÉTODO, sendo o método destinado à medição de massa de um corpo (5), ou sendo o método destinado à determinação da susceptibilidade magnética ou destinado à determinação da quantidade de material ferromagnético ou destinado à determinação da quantidade de ferro em um corpo ferromagnético (5), de acordo com a Reivindicação 1 ou 2, caracterizado pela medição de massa da etapa medição de massa ser obtida através de regressão estatística que utiliza, como variáveis explanatórias, frequências naturais de um sistema mecânico (45) que é composto por um dispositivo mecânico (40) e o corpo (5) engastado ao referido dispositivo mecânico (40). 5. METHOD, being the method intended for measuring the mass of a body (5), or being the method intended for determining magnetic susceptibility or intended for determining the amount of ferromagnetic material or intended for determining the amount of iron in a ferromagnetic body (5), according to Claim 1 or 2, characterized in that the mass measurement of the mass measurement step is obtained through statistical regression that uses, as explanatory variables, natural frequencies of a mechanical system (45) that is composed of a mechanical device (40) and the body (5) crimped to said mechanical device (40).
6. MÉTODO, sendo o método destinado à qualificação, classificação ou seleção de corpos (5), compreendido por medição dos referidos corpos (5), de acordo com a Reivindicação 1 ou 2, caracterizado por compreender ainda, as etapas de: análise do resultado da referida medição, através de comparação com valores pré-estabelecidos, comparação com dados estatísticos de corpos previamente medidos ou algoritmo de redes neurais artificiais; e opcional manipulação dos corpos com base no resultado da referida análise. 6. METHOD, being the method intended for the qualification, classification or selection of bodies (5), comprising measurement of said bodies (5), according to Claim 1 or 2, characterized by also comprising the steps of: analysis of the result of said measurement, through comparison with pre-established values, comparison with statistical data of previously measured bodies or algorithm of artificial neural networks; and optional manipulation of bodies based on the result of said analysis.
7. DISPOSITIVO MECÂNICO PARA MEDIÇÃO DE PARÂMETROS FÍSICOS DE CORPOS, sendo o dispositivo mecânico (18) configurado a realizar a medição de peso através do processamento de um sinal vindo de uma ou de uma pluralidade de células de carga (19), caracterizado por compreender: uma ou uma pluralidade de células de carga (19); um ou uma pluralidade de eletroímãs atuadores (20); nenhuma, uma ou uma pluralidade de cabeças de impacto (21 ); e nenhum, um ou uma pluralidade de elementos amortecedores (22). 7. MECHANICAL DEVICE FOR MEASURING PHYSICAL PARAMETERS OF BODIES, the mechanical device (18) being configured to carry out the measurement of weight through the processing of a signal coming from one or a plurality of cells of load (19), characterized in that it comprises: one or a plurality of load cells (19); one or a plurality of actuator electromagnets (20); none, one or a plurality of impact heads (21); and none, one or a plurality of damping elements (22).
8. Dispositivo mecânico, de acordo com a Reivindicação 7, configurado para ser instantaneamente enrijecido, caracterizado por compreender um ou uma pluralidade de eletroímãs pré-tensionadores (25), um êmbolo (26), nenhum, um ou uma pluralidade de elementos ferromagnéticos (27) e um estator (28). 8. Mechanical device according to Claim 7, configured to be instantly stiffened, characterized in that it comprises one or a plurality of pre-tensioning electromagnets (25), a piston (26), none, one or a plurality of ferromagnetic elements ( 27) and a stator (28).
9. DISPOSITIVO MECÂNICO PARA MEDIÇÃO DE PARÂMETROS FÍSICOS DE CORPOS, sendo o dispositivo mecânico (33) configurado a realizar medição de peso através do decremento gradual da força eletromagnética aplicada ao(s) eletroímã(s) atuador(es) (20), caracterizado por compreender: um ou uma pluralidade de eletroímãs atuadores (20); um ou uma pluralidade de sensores de presença (34); e nenhuma, uma ou uma pluralidade de cabeças de impacto (21 ). 9. MECHANICAL DEVICE FOR MEASURING PHYSICAL PARAMETERS OF BODIES, the mechanical device (33) being configured to perform weight measurement through the gradual decrease of the electromagnetic force applied to the electromagnet(s) actuator(s) (20), characterized comprising: one or a plurality of actuator electromagnets (20); one or a plurality of presence sensors (34); and none, one or a plurality of impact heads (21).
10. DISPOSITIVO MECÂNICO PARA MEDIÇÃO DE PARÂMETROS FÍSICOS DE CORPOS, sendo o dispositivo mecânico caracterizado pelo fato de que, quando está com um corpo engastado a si, forma um conjunto mecânico que possui a concomitância de: pelo menos um modo de vibração cuja frequência natural é, ao mesmo tempo, mais afetada pela variação de massa do referido corpo e menos afetada pelo posicionamento do referido corpo, em comparação com frequências naturais de outros modos de vibração do sistema mecânico; e pelo menos um modo de vibração cuja frequência natural é, ao mesmo tempo, mais afetada pela variação de posicionamento do referido corpo e menos afetada pela variação de massa do referido corpo, em comparação com frequências naturais de outros modos de vibração do sistema mecânico. 10. MECHANICAL DEVICE FOR MEASURING PHYSICAL PARAMETERS OF BODIES, being the mechanical device characterized by the fact that, when it has a body fixed to itself, it forms a mechanical assembly that has the concomitance of: at least one mode of vibration whose natural frequency it is, at the same time, more affected by the mass variation of said body and less affected by the positioning of said body, compared to natural frequencies of other modes of vibration of the mechanical system; and at least one mode of vibration whose natural frequency is, at the same time, more affected by the variation in positioning of said body and less affected by the variation of mass of said body, compared to natural frequencies of other vibration modes of the mechanical system.
11. DISPOSITIVO MECÂNICO, sendo o dispositivo mecânico configurado a realizar medição de parâmetros físicos de corpos de acordo com a Reivindicação 9, caracterizado por possuir, ainda, um ou uma pluralidade de eletroímãs atuadores, bem como nenhuma, uma ou uma pluralidade de cabeças de impacto. 11. MECHANICAL DEVICE, the mechanical device being configured to perform measurement of physical parameters of bodies according to Claim 9, characterized by also having one or a plurality of actuating electromagnets, as well as none, one or a plurality of heads of impact.
12. DISPOSITIVO MECÂNICO, sendo o dispositivo mecânico (40), composto por carretéis (41 ) e estrutura (42), de acordo com a reivindicação 9 ou 10 caracterizado pelo fato de que, quando está com um corpo (5) engastado em sua extremidade, forma um sistema mecânico (45) que possui, concomitantemente: a frequência natural do primeiro modo de vibração de flexão no plano yz (Figura 14) mais influenciada pela massa do corpo (5) engastado na extremidade do referido dispositivo (40) do que pelo posicionamento do corpo (5) engastado na extremidade do referido dispositivo (40), em comparação com frequências naturais de outros modos de vibração do referido sistema mecânico (45); e a frequência natural do primeiro modo de torção no plano xz (Figura 14) mais influenciada pelo posicionamento do corpo (5) engastado na extremidade do referido dispositivo (40) do que pela massa do corpo (5) engastado na extremidade do referido dispositivo (40), em comparação com frequências naturais de outros modos de vibração do referido sistema mecânico (45). 12. MECHANICAL DEVICE, being the mechanical device (40), composed of spools (41) and structure (42), according to claim 9 or 10, characterized in that, when it has a body (5) embedded in its end, forms a mechanical system (45) that has, at the same time: the natural frequency of the first bending vibration mode in the yz plane (Figure 14) more influenced by the mass of the body (5) crimped at the end of said device (40) than by positioning the body (5) crimped at the end of said device (40), compared to natural frequencies of other vibration modes of said mechanical system (45); and the natural frequency of the first twisting mode in the xz plane (Figure 14) is more influenced by the positioning of the body (5) crimped at the end of said device (40) than by the mass of the body (5) crimped at the end of said device ( 40), compared to natural frequencies of other vibration modes of said mechanical system (45).
13. DISPOSITIVO MECÂNICO, sendo o dispositivo mecânico, de acordo com a Reivindicação 9 ou 10, caracterizado por possuir, adicionalmente, um subsistema que exerce a função de martelo modal, composto por suporte (47), viga elástica (48), opcional encosto mecânico (49) e cabeça marteladora (50). 13. MECHANICAL DEVICE, being the mechanical device, according to Claim 9 or 10, characterized by having, in addition, a subsystem that performs the function of modal hammer, composed of support (47), elastic beam (48), optional backrest mechanical (49) and hammer head (50).
14. EQUIPAMENTO PARA MEDIÇÃO DE PARÂMETROS FÍSICOS DE CORPOS, sendo o equipamento (52) configurado a realizar a medição de parâmetros físicos de corpos ferromagnéticos, caracterizado por compreender dispositivos mecânicos e ainda, hardware e software de controle (54) e opcional manipulador de corpos (55). 14. EQUIPMENT FOR MEASURING PHYSICAL PARAMETERS OF BODIES, the equipment (52) being configured to perform the measurement of physical parameters of ferromagnetic bodies, characterized by comprising mechanical devices and also control hardware and software (54) and optional body manipulator (55).
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