ITRM980435A1 - Dispositivo per il controllo e la taratura di sensori inclinometrici ad alta precisione - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

annessa a domanda di brevetto per INVENZIONE INDUSTRIALE avente per titolo

“DISPOSITIVO PER IL CONTROLLO E LA TARATURA DI SENSORI INCLINOMETRICI AD ALTA PRECISIONE”.

Il presente trovato concerne ad un dispositivo per il controllo e la taratura di sensori inclinometrici ad alta precisione. In particolare i sensori inclinometrici ad alta sensibilità necessitano di una calibrazione molto precisa in modo da poter sfruttare al meglio il loro potenziale potere risolutivo. Le potenziali precisioni della maggioranza degli strumenti sono affette da rumore provocato dal sensore e dall’elettronica, e sinora i dispositivi di taratura esistenti in commercio non sono stati in grado di risolvere il problema di una ottimale taratura.

Gli inclinometri misurano le variazioni di pendenza della superficie a cui sono fissati e vengono utilizzati per controlli soprattutto in campo industriale, geotecnico e geofisico. Questi strumenti in campo industriale sono utilizzati per il controllo di allineamenti di vario tipo e per il preciso posizionamento strumentale, mentre nel settore geotecnico sono adoperati per il monitoraggio dello stato deformativo a cui sono soggette particolari strutture quali fondamenta, ponti, dighe, gallerie. In campo geofisico essi sono utilizzati essenzialmente per il monitoraggio delle deformazioni del suolo associate a possibili eventi di vario tipo quali instabilità di versanti, movimenti tettonici, movimenti di origine vulcanica. I sensori inclinometrici essenzialmente usano come riferimento verticale un pendolo o una bolla elettrolitica rispetto a cui misurano le variazioni di inclinazione.

Oggigiorno gli inclinometri più diffusi sono quelli a sensori elettronici il cui principio essenzialmente si basa sulla posizione d’ equilibrio che assume una bolla elettrolitica sospesa all’ interno di un contenitore riempito di un fluido. I sensori elettronici rilevano variazioni di resistenza misurate attraverso le variazioni di posizioni della bolla elettrolitica rispetto a degli elettrodi solidali con il contenitore. Solitamente i sensori sono predisposti per misurare le inclinazioni lungo due assi ortogonali in modo da poter ottenere una rappresentazione spaziale (modulo e direzione) del vettore inclinazione. Questi strumenti in generale possono raggiungere precisioni teoriche elevate (risoluzione dell’ ordine di 0.1 - 0.01 microradianti) ma in condizioni ordinarie il loro limite consiste nel fatto che difficilmente riescono a sfruttare queste potenzialità. Infatti, gli effetti rumore indotti dall’ ambiente sono notevoli e principalmente riguardano le variazioni di temperatura che possono creare rumore sia nel sensore che nell’ elettronica. Inoltre un altro problema riguarda la linearità della risposta dello strumento che non è detto sia mantenuta lungo tutto il range di misura. Questi aspetti non sono sempre analizzati in dettaglio dalle case costruttrici che usualmente non forniscono precise schede di calibrazione e dettagliate modalità sugli eventuali test di taratura condotti.

La valutazione in laboratorio dell’esatto rumore provocato dalle variazioni termiche e la verifica della corretta risposta strumentale, oltre che un controllo sul regolare funzionamento strumentale, consentirebbe anche di valutare più adeguatamente procedure per il filtraggio degli effetti “spuri” non connessi a variazioni reali, sfruttando così in modo completo le potenzialità strumentali.

Lo scopo del presente trovato è quello di eliminare gli inconvenienti ora menzionati, realizzando un dispositivo per il controllo e la taratura di sensori inclinometrici ad alta precisione che ottiene una corretta taratura di questi strumenti con precisioni inferiori a 0.1 pm / m.

Le normali tavole di taratura esistenti in commercio fanno uso di un sistema di regolazione composto di un micrometro di buone caratteristiche meccaniche, ma la cui risoluzione è di almeno un ordine di grandezza più bassa. Anche la soluzione di aggiungere ad una tavola di questo tipo un insieme di leveraggi per demoltiplicare la corsa del micrometro è in soddisfacente perché il sistema sarebbe comunque limitato dagli accoppiamenti meccanici, giochi, attriti, ecc. che ben difficilmente permetterebbero di scendere al di sotto del decimo di micron.

Oltre gli aspetti meccanici, i problemi fondamentali delle normali tavole di taratura sono che :

i) durante il tempo della calibrazione non riescono a distinguere tra possibili effetti reali, cioè cambiamenti di pendenza veri indotti dalla regolazione reale sulla piastra, ed effetti fittizi, cioè indotti dall’ ambiente circostante; ii) inoltre esse non riescono a discriminare quanto le variazioni termiche incidano sul sensore come rumore o quanto possano influire su possibili movimenti non desiderati della piastra.

Pertanto, in accordo con la presente invenzione, si è ideato e realizzato un sistema di taratura che non fa uso diretto di apparati meccanici per la regolazione e il controllo dell’ inclinazione, ma che si basa invece sulla diversa inclinazione che assume un oggetto galleggiante al variare del suo baricentro. Il trovato, quale esso è caratterizzato dalle rivendicazioni che seguono, risolve il problema di fornire un dispositivo per il controllo e la taratura di sensori inclinometrici ad alta precisione, che da un punto di vista generale si caratterizza per il fatto di comprendere:

un corpo di base piano di forma pressocchè quadrangolare, di materiale ad alta rigidità, posto a galleggiare su mercurio posto all’ interno di una vasca; una coppia di mezzi di posizionamento micrometrici di pesi noti, disposti in prossimità di bordi concorrenti del corpo di base, sui rispettivi ortogonali assi di simmetria del corpo di base, atti a consentire la variazione del baricentro e la inclinazione sul mercurio del corpo di base di un valore determinato dalla variazione del momento applicato;

una coppia di viti di regolazione dello zero, disposte sul detto corpo di base, in posizioni rispettivamente contrapposte a detta coppia di mezzi di posizionamento micrometrici di pesi noti, tali da poter essere in grado di agire sui medesimi assi di simmetria per posizionarsi entro tutto il range di misura del sensore;

una sede disposta centralmente al corpo di base per il posizionamento centrato sui detti assi di simmetria di un sensore inclinometrico.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi del presente trovato appariranno maggiormente dalla descrizione dettagliata che segue, di una forma preferita di realizzazione illustrata a puro titolo indicativo ma non limitativo negli uniti disegni in cui:

la figura 1 illustra schematicamente in sezione longitudinale il dispositi vo oggeto del presente trovato;

la figura 2 illustra schematicamente una vista dall’alto del dispositivo oggeto del presente trovato.

la figura 3 illustra una sezione longitudinale del corpo di base.

Conformemente al presente trovato, nella figura 1 e 2 è indicato complessivamente con 1 un dispositivo per il controllo e la taratura di sensori inclinometrici ad alta precisione.

In particolare, il dispositivo 1 comprende un corpo di base 2, di forma pressocchè quadrangolare, che galleggia su mercurio 3, provvisto di ancoraggi per lo strumento da calibrare e per la relativa eletronica, non illustrati nelle figure, nonché di una coppia di mezzi 5 e 6 di posizionamento micrometrici di pesi noti, di tipo di per sé noto, per consentire al corpo di base 2 di variare il suo baricentro e quindi di inclinarsi sul mercurio di un valore determinato dalla risultante dei pesi applicati, consentendo la regolazione fine della variazione del baricentro e deH’inclinazione del corpo di base 2 sul mercurio 3.

La struttura del dispositivo 1 comprende, come già deto un corpo di base 2, di materiale ad alta rigidità, preferibilmente granito, spesso almeno 30-50 mm, che galleggia su mercurio contenuto in una vasca 4, ad esempio di perspex, le cui dimensioni di massima sono 800 x 800 x 150 mm..

Sui bordi della piastra, che costituisce il corpo di base 2, sono disposti sugli assi di simmetria ortogonali visualizzati in figura 2, fissati in posizione in prossimità di bordi concorrenti del corpo di base, una coppia di mezzi 5 e 6 di posizionamento micrometrico di pesi noti e definiti, ati a consentire la regolazione fine della variazione del baricentro e della inclinazione sul mercurio 3 del corpo di base 2 di un valore determinato dalla variazione del momento applicato.

Come è mostrato nelle figure 1 e 2, il dispositivo 1 comprende inoltre una coppia di viti di regolazione dello zero 7 e 8, di tipo di per sè noto, disposte sul detto corpo di base 2 in posizioni rispettivamente contrapposte a detta coppia di mezzi di posizionamento micrometrici di pesi noti, tali da poter essere in grado di agire sui medesimi assi di simmetria per posizionarsi entro tutto il range di misura del sensore.

Con 9 è indicata una sede per il posizionamento centrato sui detti assi di simmetria di un sensore inclinometrico 10, posta centralmente al corpo di base 2. Il sensore inclinometrico 10 da tarare viene fissato al centro del corpo di base 2 con gli assi allineati con i micrometri 5 , 6, lungo le due direzioni di simmetria. Sia il micrometro che la vite di regolazione permettono di equilibrare le masse in modo da leggere zero su entrambi gli assi del sensore inclinometrico sotto test.

In generale, regolando uno dei due micrometri 5, 6 si ha uno spostamento misurato di una massa conosciuta da cui, come descriveremo in seguito, si può risalire all’ inclinazione di un asse del corpo di base 2 e quindi dell’ inclinometro rispetto allo zero. La stessa operazione si può ripetere per l’altro asse. Il corpo di base 2 viene fatto galleggiare su mercurio che con il suo notevole peso specifico (13.55 g/mL) fornisce un forte spinta di galleggiamento che provoca un’elevata precisione nella regolazione dell’inclinazione.

Nella figura 3 è schematizzata la sezione del corpo di base 2 galleggiante mentre i simboli indicati hanno il seguente significato :

L = lunghezza corpo base H = larghezza corpo base

T = spessore P = forza peso

G - punto applicazione della forza supposta equilibrata rispetto H

A e B = variazione dell’ immersione del corpo base dovuta alla forza peso p = densità del mercurio

Le relazioni intercorrenti tra forza peso e il suo punto di applicazione con le caratteristiche e l affondamento del corpo di base 2 sono ricavabili dall’ equilibrio delle forze in gioco, da cui è :

P = pHLC

Definendo con:

A B = 2C B - A = 2D, da cui:

A = C - D B = C D

dove C rappresenta il valor medio dell’ immersione del corpo di base 2 dovuta al peso P, mentre D rappresenta il valore da aggiungere o togliere a C per ottenere i valori dell’ immersione del corpo di base agli estremi B ed A, si ha :

D= 3x(2CG - C)

1

G= Lx(D C)-L+L D

Considerando queste relazioni che regolano l immersione del corpo di base 2 nel mercurio (p.s. 13.55 g/mL) possiamo quindi calcolare di quanto dobbiamo regolare un micrometro che sposta un peso complessivo (ad esempio fissato di 100 g) per inclinare il corpo di base con le caratteristiche geometriche sopracitate(L=Η=800 mm, D= 4 10<-5 >mm) con un dislivello di 0.1 pm/m. Dalla (1) risulta G = 400 0 .465 mm

per cui, alla situazione d’ equilibrio (D = 0 quindi G = L/2), occorre ruotare il micrometro del tipo centesimale con tacche a 10 pm di 46 tacche (» 1⁄2 giro).

La stessa verifica eseguita considerando le densità a -20 °C e a 40 °C fornisce rispettivamente 0.4664 e 0.4607 mm., con un errore risultante di circa mezza tacca. In particolare in questo campo di temperatura si ha una variazione tra gli estremi di 1.23 x 10<-2 >che può essere corretta per valori di inclinazione maggiori tenendo conto della densità del mercurio alla temperatura di test.

Tenendo conto che con il micrometro considerato l’ errore strumentale è al massimo l equivalente di 1-2 tacche, cioè 10-20 pm, ne consegue che nelle condizioni sopra specificate teoricamente si possono apprezzare variazioni di circa 0.002 microradianti. Ovviamente queste altissime precisioni per poter essere osservate impongono un laboratorio di sperimentazione privo nel breve termine di qualsiasi minimo rumore ambientale.

Il micrometro crea una variazione del momento Mo agente sul corpo di base 2 mantenendo una forza d’ azione (peso della massa spostata) costante e variandone il suo braccio d’ azione rispetto il baricentro del corpo di base. Un analogo risultato può essere ottenuto variando la forza d’ azione in uno stesso punto cioè tenendo costante il braccio del momento. Questo risultato può essere ottenuto aggiungendo pesi noti misurati ad alta precisione lungo uno stesso asse verticale sul corpo di base 2, come per esempio si può effettuare aggiungendo delle piccole quantità note di liquido in un opportuno contenitore posto sul corpo di base 2.

La scelta di un sistema galleggiante per la realizzazione del dispositivo di taratura dei sensori inclinometrici, secondo l’invenzione, ha il vantaggio di essere insensibile a variazioni di inclinazioni del supporto (per esempio del tavolo che sostiene il dispositivo), a variazioni che possono essere determinate dallo spostamento di carichi nell’ ambiente circostante, e a variazioni indotte dai movimenti degli edifici (per esempio movimenti termoelastici) che ospitano i sensori da tarare.

Il dispositivo 1 inoltre non risente delle variazione di temperatura che è la causa principale di rumore nei sensori inclinometrici di tipo elettronico. Questo aspetto permette di poter perfettamente discriminare e valutare il rumore termico permettendo poi di sfruttare al meglio le potenzialità dei sensori inclinometrici . Infatti, se non si azionano disequilibri con i pesi, cioè se si lascia galleggiare il corpo di base 2 in posizione d’ equilibrio, il sistema resta perfettamente fissato in posizione orizzontale non risentendo degli effetti esterni quali movimenti esterni e variazioni di temperatura. Provocando delle variazioni termiche forzate, si può discriminare il rumore termico correlando le variazioni di temperatura con le variazioni fittizie indotte sul sensore inclinometri co.

11 dispositivo 1 garantisce al corpo di base sempre la perfetta orizzontaci ita e permette, attraverso la registrazione del segnale del clinometro opportunamente fissato sul corpo di base, di valutare le possibili derive strumentali a medio e lungo termine.

In questo dispositivo qualche perturbazione, sia pure trascurabile, può essere introdotta da :

a) - sistemi di ventilazione troppo vicini che potrebbero squilibrare il valore della pressione atmosferica agente sul corpo di base galleggiante;

b) - campi magnetici;

c) - campi elettrostatici.

Il punto a) è risolvibile semplicemente mediante un coperchio, anche sempre in perspex, che garantisca una tenuta all’ aria, non mostrato nelle figure. Per il punto b) è sufficiente verificare di aver scelto un’ ubicazione in cui in prossimità siano assenti possibili sorgenti di campi magnetici, mentre per il punto c), qualora si dovessero riscontrare problemi per esempio dovuti all’ accumulo di cariche sul coperchio o sui bordi della vasca, basterà inserire attorno al dispositivo una rete metallica a maglie larghe collegata elettricamente al mercurio.

Il trovato così concepito è suscettibile di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nell’ambito del medesimo concetto innovativo. Inoltre, tutti i dettagli possono essere sostituiti da elementi tecnicamente equivalenti.

Nella pratica sono ovviamente possibili delle modifiche e/o delle migliorie rientranti comunque nell’ambito protettivo delle seguenti rivendicazioni.

Claims (3)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo per il controllo e la taratura di sensori inclinometrici ad alta precisione, caratterizzato dal fatto di comprendere: un corpo di base (2), piano di forma pressocchè quadrangolare, di materiale ad alta rigidità, posto a galleggiare su mercurio (3) all’intemo di una vasca (4); una coppia di mezzi (5, 6) di posizionamento micrometrico di pesi noti, disposti in prossimità di bordi concorrenti del corpo di base (2), sui rispettivi ortogonali assi di simmetria del corpo di base, atti a consentire la variazione del baricentro e la inclinazione sul mercurio del corpo di base di un valore determinato dalla variazione del momento applicato; una coppia di viti di regolazione dello zero (7, 8), disposte sul detto corpo di base (2), in posizioni rispettivamente contrapposte a detta coppia di mezzi di posizionamento micrometrici di pesi noti (5, 6), agenti sui medesimi assi di simmetria per posizionarsi entro tutto il range di misura del sensore; una sede (9) disposta centralmente al corpo di base (2) per il posizionamento centrato sui detti assi di simmetria di un sensore inclinometrico (10).
2. 2. Dispositivo per il controllo e la taratura di sensori inclinometri ad alta precisione, secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta sede (9) è provvista di ancoraggi per il sensore inclinometrico (10) da calibrare e per la relativa elettronica.
3. 3. Dispositivo per il controllo e la taratura di sensori inclinometri ad alta precisione, secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il EBO base (2) è costituito da granito