Cella di carico in fibra ottica
Data di pubblicazione
01-01-1970
Codice
ME.10.006.A
Stato
Licenziato
Data di priorità
01-01-1970
Fase
Italia, Francia e Germania
Dipartimento
DIPARTIMENTO DI MECCANICA
Autori
Marco Francesco Bocciolone, Lorenzo Comolli e Pietro Crosio
Descrizione
Lo strumento oggetto dell'invenzione è una cella di carico in fibra ottica, ovvero uno strumento di misura in grado di fornire il valore della forza trasmessa tra due elementi meccanici. Impiega sensori in fibra ottica e quindi risulta facilmente utilizzabile in ambienti ostili quali ad esempio elementi in tensione o soggetti a forti disturbi elettromagnetici.
Le celle di carico (o dinamometri) sono strumenti tradizionalmente impiegati nel monitoraggio di strutture meccaniche. In commercio esistono centinaia di modelli di tipo elettrico. Le tecnologie impiegate sono le più diverse, ma una delle più semplici consiste nella misura della deformazione di parti strutturali appositamente progettate per deformarsi sotto l’azione di un carico agente. Le deformazioni vengono misurate con estensimetri a resistenza elettrica.
Esistono decine di tipi di sensori a fibra ottica. Quelli impiegati nell'invenzione sono del tipo FBG (Fiber Bragg Grating) e possono essere considerati come dei sensori di deformazione e temperatura contenuti all'interno della fibra stessa. Per il loro funzionamento devono essere collegati con una comune fibra ottica, che può essere lunga anche chilometri, ad una centralina di condizionamento, detta interrogatore. E' anche possibile montare più sensori in serie sulla stessa fibra, in modo da semplificare il cablaggio.
L'invenzione unisce la versatilità delle celle di carico tradizionali con le caratteristiche uniche dei sensori in fibra ottica. Per poter impiegare questa tecnologia in una cella di carico si è dovuta progettare una struttura in grado di fornire una deformazione adatta per poter essere misurata dal sensore FBG. Inoltre è stata data particolare attenzione alla compensazione della temperatura e di carichi (forze e momenti flettenti) in direzioni non di interesse. La configurazione della cella è di tipo ad "S" e pertanto risulta molto compatta e di spessore contenuto. Il prototipo funzionante ha spessore di 20 mm e le altre dimensioni sono di 35 mm x 76 mm. Ha un fondo scala di 500 N e un carico di rottura di 2000 N. Dispone di un connettore FC/APC per poter posizionare lo strumento senza l'ingombro di cavi. Naturalmente è possibile modificare dimensioni e caratteristiche metrologiche a piacere per adattare il dispositivo ad applicazioni specifiche.
Campo di applicazione
Il dispositivo trova applicazione in tutti i campi di utilizzo dove vengono impiegate le celle di carico tradizionali. Ma la caratteristica più importante è che può essere utilizzato in ambienti ostili e preclusi a strumenti elettrici, come ad esempio luoghi con forti disturbi elettromagnetici, su elementi in tensione o soggetti a fulminamenti. Ma non sono solo i problemi elettrici a essere superati, infatti la cella progettata è in grado di funzionare anche con presenza di liquidi conduttivi: può quindi essere soggetta a elementi atmosferici come la pioggia, oppure anche immersa in acqua marina. Infine, non essendo presenti tensioni elettriche, è impiegabile senza problemi in ambienti con pericolo di esplosione.
Il dispositivo è stato inizialmente pensato ed costruito per misurare la forza di contatto su pantografi ferroviari, ambienti ostili come descritto sopra, ma è naturalmente impiegabile in tutti gli altri campi dove caratteristiche di isolamento elettrico ed insensibilità a campi elettromagnetici si ritengono necessarie. Ad esempio misura di forze in motori elettrici, su cavi dell'alta tensione, in impianti petroliferi sottomarini, ecc...
Vantaggi
I vantaggi sono innumerevoli.
<ul><li>Funzionamento in ambienti ostili:</li><ul><li>è insensibile a disturbi elettromagnetici;</li><li>può essere montata su elementi in tensione senza problemi di isolamento;</li><li>è immune al pericolo di fulminamento;</li><li>può essere immersa in liquidi conduttivi, come acqua piovana o acqua marina;</li><li>è intrinsecamente sicura in presenza di esplosivi.</li></ul><li>Dimensioni compatte: il prototipo funzionante ha spessore di 20 mm e le altre dimensioni sono di 35 mm x 76 mm. Possono essere facilmente modificate per adattarle ad applicazioni specifiche.</li><li>Distanza dall'unità base: può essere collegata a chilometri di distanza dalla centralina di condizionamento tramite un semplice cavo in fibra ottica.</li><li>Collegamento in serie: si possono collegare in serie sulla stessa fibra più celle di carico.</li><li>Compensazione ad agenti di disturbo: il dispositivo è compensato sia per la temperatura che per carichi in direzioni diversa da quella di misura.</li><li>Facilità di montaggio: nel caso di elementi in tensione, non necessita di complicati sistemi di disaccoppiamento elettrico: l'isolamento è garantito dalla natura dielettrica della fibra stessa.</li><li>Montaggio su pantografi: il prototipo progettato e costruito è in grado di adattarsi alla maggior parte di supporti di archetti per pantografi ferroviari.</li><li>Caratteristiche dinamiche: è in grado di misurare carichi dinamici dell'ordine di diverse centinaia di hertz. </li></ul>
Stadio di sviluppo
Prototipo funzionante
Contatto
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