ITPR20120066A1 - Sistema di misura della posizione relativa tra due parti strutturali separate. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

“Sistema di misura della posizione relativa tra due parti strutturali separateâ€

La presente invenzione ha per oggetto un sistema di misura della posizione relativa tra due parti strutturali separate. In particolare, tale sistema à ̈ impiegato nella misura della posizione relativa tra due parti strutturali di un edificio separatesi a seguito della formazione di una crepa. Dal documento WO2012/025763 à ̈ noto un sistema di monitoraggio dello spostamento relativo tra due parti strutturali separate basato sulla misura dell’intensità puntuale del campo magnetico generato da un magnete permanente. Tale sistema à ̈ formato da un magnete a forma cilindrica applicato ad una parte strutturale di un edificio e da uno o più sensori a effetto Hall fissati all’altra parte strutturale per misurare l’intensità del campo magnetico generato dal magnete. Se i sensori sono posizionati nel campo magnetico in modo tale da essere attraversati perpendicolarmente dalle linee di flusso, l’intensità del campo magnetico à ̈ inversamente proporzionale al quadrato della distanza dal magnete (“legge di Coulomb†per i magneti). Pertanto, la distanza à ̈ calcolabile facilmente come radice quadrata dell’inverso del campo magnetico. L’intensità puntuale del campo magnetico rilevata da ogni sensore viene dunque convertita in una distanza. Attraverso la triangolazione si può quindi calcolare la posizione bidimensionale o tridimensionale del magnete rispetto ai sensori.

Il principale svantaggio della soluzione appena illustrata risiede nella necessità di dover effettuare la misura puntuale dell’intensità del campo magnetico, la quale à ̈ solitamente variabile nel tempo a causa della temperatura e dell’invecchiamento del magnete permanente.

Un altro svantaggio à ̈ legato al fatto che la legge di Coulomb per i magneti à ̈ applicabile solo se i sensori sono posizionati in modo dale da essere attraversati perpendicolarmente dalle linee di flusso del campo.

Ulteriore svantaggio à ̈ legato al notevole ingombro e al costo dovuto alla necessità di impiegare una pluralità di sensori.

Un altro svantaggio à ̈ dovuto alla necessità di effettuare una triangolazione, il che comporta intrinseci inconvenienti di precisione.

In questo contesto, il compito tecnico alla base della presente invenzione à ̈ proporre un sistema di misura della posizione relativa tra due parti strutturali separate, ad esempio di un edificio, che superi gli inconvenienti della tecnica nota sopra citati.

In particolare, scopo della presente invenzione à ̈ proporre un sistema di misura della posizione relativa tra due parti strutturali separate che sia più compatto, semplice ed economico rispetto alle soluzioni note.

Altro scopo della presente invenzione à ̈ proporre un sistema di misura della posizione relativa tra due parti strutturali separate, che sia più preciso ed impiegabile su un campo di misura maggiore rispetto alle soluzioni note.

Il compito tecnico precisato e gli scopi specificati sono sostanzialmente raggiunti da un sistema di misura della posizione relativa tra due parti strutturali separate, comprendente le caratteristiche tecniche esposte in una o più delle unite rivendicazioni.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente invenzione appariranno maggiormente chiari dalla descrizione indicativa, e pertanto non limitativa, di una forma di realizzazione preferita ma non esclusiva di un sistema di misura della posizione relativa tra due parti strutturali separate, come illustrato negli uniti disegni in cui:

ï€ la figura 1 illustra un sistema di misura della posizione relativa tra due parti strutturali separate, secondo la presente invenzione, in vista prospettica;

ï€ la figura 2 illustra il sistema di figura 1 rovesciato, in vista prospettica; ï€ la figura 3 illustra il sistema di figura 1, in vista laterale;

ï€ la figura 4 illustra le linee di forza generate da un magnete permanente impiegato nel sistema di figura 1, in vista sezionata; ï€ le figure da 5 a 7 sono grafici relativi all’andamento di alcune grandezze fisiche impiegate nel sistema di figura 1;

ï€ la figura 8 illustra il magnete permanente di figura 4 inserito nella terna di riferimento.

Con riferimento alle figure, il numero 1 indica un sistema di misura della posizione relativa tra due parti strutturali 2a, 2b separate. Ad esempio, il sistema di misura 1 Ã ̈ impiegato sulle parti strutturali 2a, 2b di un edificio separatesi a seguito della formazione di una crepa.

Il sistema di misura 1 comprende un corpo 3 atto a generare un campo magnetico B. Tale corpo 3 à ̈ applicabile ad una delle parti strutturali 2a. In particolare, il campo magnetico B generato à ̈ a simmetria cilindrica.

Nella forma realizzativa qui descritta ed illustrata, il corpo 3 Ã ̈ un magnete permanente a forma cilindrica. Ad esempio, si tratta di un magnete permanente al neodimio a forma cilindrica, avente altezza di 2 mm e diametro di 10 mm. In alternativa, il corpo 3 Ã ̈ un elettromagnete.

Sull’altra parte strutturale 2b à ̈ applicabile un sensore 5. Preferibilmente, si tratta di un sensore triassiale ad effetto Hall.

Originalmente, il sensore 5 e il corpo 3 (in questa forma realizzativa il magnete permanente 3) sono relativamente movimentabili secondo una direzione perpendicolare all’asse di simmetria h del campo magnetico B così che vari la direzione delle linee di forza del campo magnetico B che attraversano il sensore 5. Nel caso di magnete permanente 3 cilindrico, l’asse di simmetria h del campo magnetico B coincide con l’asse di simmetria del magnete permanente 3.

In figura 4 à ̈ mostrata l’intensità e la direzione del flusso del campo magnetico B generato dal magnete permanente 3 al neodimio, a forma cilindrica con altezza di 2 mm e diametro di 10 mm. Considerando un primo piano α1 parallelo alle facce piane del magnete 3, cioà ̈ perpendicolare all’asse di simmetria h, e passante per il centro C del magnete 3 si nota che il flusso del campo magnetico B ha direzione perfettamente verticale in ogni punto.

Se invece si considera un secondo piano α2, sempre perpendicolare all’asse di simmetria h ma posto a quota diversa, cioà ̈ non passante per il centro C del magnete 3, si osserva che la direzione del flusso del campo magnetico B cambia a seconda del punto in cui ci si trova. In particolare, il flusso ha direzione verticale solo esattamente sotto il centro C del magnete 3. Allontanandosi dal centro C del magnete 3, la direzione del flusso subisce una rotazione fino a diventare perfettamente orizzontale. Oltre il punto di orizzontalità, la direzione si inverte continuando a ruotare per divenire nuovamente verticale (ma solo asintoticamente a distanza infinita).

L’intensità del flusso del campo magnetico B sul secondo piano α2 gode di simmetria radiale rispetto al punto di incontro P del secondo piano α2 con l’asse di simmetria h.

In ciascun punto del secondo piano α2, il campo magnetico B à ̈ scomponibile in una componente radiale Br, giacente sul piano α2, ed una componente verticale Bz, paralella all’asse di simmetria h.

La componente radiale Br à ̈, a sua volta, ottenuta dalla composizione pitagorica di due componenti planari Bx, By, secondo la relazione:

(1) Br = Bx<2> By<2>

In figura 5 sono illustrati gli andamenti dell’intensità della componente radiale Br e della componente verticale Bz per ciascun punto del flusso del campo magnetico B in funzione della distanza r dal punto P posto sull’asse di simmetria h. Dalla figura 5 si ha la conferma che la componente verticale Bz cambia segno oltre una certa distanza r dall’asse di simmetria h, mentre la componente planare Br punta sempre verso il magnete 3. Come noto il rapporto tra la componente radiale Br e la componente verticale Bz à ̈ pari alla tangente dell’angolo ï ± compreso tra la direzione del campo magnetico B e la componente verticale Bz. Vale cioà ̈ la formula seguente:

(2) Br = tanï ±

Bz

È quindi possibile misurare l’angoloï ± compreso tra la direzione del campo magnetico B e la componente verticale Bz tramite la seguente equazione:

Br

(3) ï ± = arctan  



ïƒ ̈ Bzïƒ ̧

L’andamento dell’angolo ï ± compreso tra la direzione del campo magnetico B e la componente verticale Bz in funzione della distanza r dall’asse di simmetria h à ̈ mostrata in figura 6. Il fatto che l’andamento dell’angolo ï ± si possa approssimare abbastanza bene con una retta t suggerisce l’esistenza di una relazione quasi lineare tra la distanza r dall’asse di simmetria h del magnete 3 e detto angoloï ± , cioà ̈ si può scrivere:

(4) r<>arctan  Br



ïƒ ̈ Bzïƒ ̧

Originalmente, il sensore 5 à ̈ configurato per rilevare tre componenti vettoriali Bx, By, Bz dell’intensità del campo magnetico B.

Per determinare le coordinate (x,y) Ã ̈ sufficiente applicare le seguenti formule:

Bx

(5) x = r

Br

By

(6) y = r

Br

Il sistema di misura 1 comprende un blocco di elaborazione delle tre componenti vettoriali Bx, By, Bz rilevate dal sensore 5. Tale blocco di elaborazione à ̈ configurato per calcolare almeno la componente radiale Br secondo la relazione (1) e la distanza r dall’asse di simmetria h secondo la relazione (4). Il blocco di elaborazione à ̈ un microcontrollore di tipo noto. Nella forma realizzativa qui descritta ed illustrata, il sensore 5 à ̈ fisso, cioà ̈ solidale al secondo piano α2, mentre il magnete 3 si muove secondo una direzione perpendicolare al suo asse di simmetria h in modo tale che il sensore 5 sia investito da linee di forza del campo magnetico B che cambiano direzione.

In una forma realizzativa alternativa (non illustrata), il magnete 3 Ã ̈ fisso mentre il sensore 5 Ã ̈ libero di muoversi.

L’utilizzo della relazione (4) comporta tuttavia alcune limitazioni.

Innanzi tutto, la componente verticale Bz decresce allontanandosi dall’asse di simmetria h fino ad azzerarsi e a cambiare di segno. Ciò provoca un asintoto nel rapporto tra la componente radiale Br e la componente verticale Bz, fatto che limita il campo di applicabilità della relazione (4).

Inoltre, come illustrato in figura 6, la relazione (4) introduce un errore di approssimazione che cresce avvicinandosi agli asintoti.

A livello pratico, l’intervallo di utilizzo della relazione à ̈ dello stesso ordine di grandezza di alcune caratteristiche fisiche del sistema, quali il diametro del magnete 3 e la distanza verticale del punto di misura dal magnete 3. In particolare, per la situazione qui descritta e illustrata, l’intervallo di misura accettabile à ̈ di circa 8 mm.

Per risolvere i problemi sopra descritti, Ã ̈ stato sviluppato un approccio numerico differente.

Questo prevede di stimare la distanza r a partire dalla misura della componente radiale Br e della componente verticale Bz tramite una relazione polinomiale i cui coefficienti si possono derivare dal “fitting†di dati sperimentali (od eventualmente ottenuti mediante simulazioni ad elementi finiti).

In particolare, per lavorare con valori numerici trattabili, evitando gli asintoti del rapporto tra la componente radiale Br e la componente verticale Bz, si può dividere il fitting in due tratti separati utilizzando il rapporto tra dette componenti solo per un primo tratto (illustrato con linea tratteggiata in figura 7) e passando poi al rapporto inverso, cioà ̈ al rapporto tra la componente verticale Bz e la componente radiale Br, illustrato con linea piena in figura 7. Ad esempio può essere utilizzata la seguente formula:

 Br ïƒ1⁄4

f1 Br

se ïƒŽï ›0, 1ï

(7) r= ïƒ ̄ïƒ ̄ ïƒ ̈ Bzïƒ ̧ Bz ïƒ ̄ïƒ ̄

ïƒ ïƒ1⁄2

ïƒ ̄

ïƒ ̄ f 2 Bz

  altrimentiïƒ ̄

 ïƒ ̈ Brïƒ ̧ ïƒ ̄ïƒ3⁄4

Ad esempio, f1 à ̈ una polinomiale del terzo ordine ed f2 à ̈ una polinomiale del quinto ordine. In alternativa, f1 ed f2 sono polinomiali di altri ordini. In questo caso, il blocco di elaborazione impiega la relazione (7) per il calcolo della distanza r dall’asse di simmetria h.

Preferibilmente, il sensore 5 à ̈ alloggiato all’interno di un involucro scatolare 6, come visibile nelle figure 1 e 2. Opzionalmente, l’involucro scatolare 6 à ̈ provvisto di un deflettore magnetico 7 posto a copertura del sensore 5 per schermarlo da campi magnetici indesiderati (es. ambientali). In particolare, impiegando un deflettore magnetico 7 realizzato con materiale ad elevata permeabilità magnetica e bassa coercitività (es. Fe-Si o permalloy), il flusso di campi magnetici esterni à ̈ bloccato. Inoltre, il deflettore magnetico 7 provoca l’allargamento del campo di misura.

L’involucro scatolare 6 à ̈ equipaggiato con una piastra trasparente 8 sulla quale à ̈ riportato un reticolo per la lettura della misura.

Fin qui à ̈ stato descritto un sistema di misura 1 biassiale, in quanto con un solo sensore 5 à ̈ possibile ricavare le coordinate (x,y) del magnete 3. Prevedendo l’impiego di un ulteriore sensore, si può passare ad un sistema di misura 1 triassiale.

Dalla descrizione effettuata risultano chiare le caratteristiche del sistema di misura della posizione relativa tra due parti strutturali separate, secondo la presente invenzione, così come chiari ne risultano i vantaggi.

In particolare, la configurazione e la movimentazione reciproca prescelta per la coppia sensore-magnete consente al sensore di essere attraversato da un flusso magnetico che cambia direzione. In tal modo, il calcolo della posizione relativa tra le parti strutturali à ̈ ottenibile semplicemente tramite rapporti tra le componenti radiale e verticale del flusso di campo magnetico.

Inoltre, à ̈ sufficiente un sensore triassiale per ottenere univocamente la misura desiderata, a differenza di quanto previsto dall’arte nota, che faceva uso di due o più sensori monoassiali. Oltre a vantaggi in termini di ingombro e costi, l’impiego di un unico sensore consente di evitare la compensazione delle variazioni sulle misure effettuate da una pluralità di sensori (ad esempio variazioni di guadagno, temperatura, ecc.).

Infine, grazie al fitting di dati sperimentali à ̈ possibile migliorare la stima della distanza ed estendere l’intervallo di misura rispetto alle soluzioni note.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Sistema di misura (1) della posizione relativa tra due parti strutturali (2a, 2b) separate, comprendente: un corpo (3) atto a generare un campo magnetico (B), detto corpo (3) essendo applicabile ad una di dette parti (2a); almeno un sensore (5) applicabile all’altra di dette parti (2b), caratterizzato dal fatto che detto sensore (5) e detto corpo (3) sono relativamente movimentabili secondo una direzione perpendicolare all’asse di simmetria (h) del campo magnetico (B) così che vari la direzione delle linee di forza del campo magnetico (B) che attraversano il sensore (5), detto sensore (5) essendo configurato per rilevare tre componenti vettoriali (Bx, By, Bz) dell’intensità del campo magnetico (B).
2. 2. Sistema di misura (1) secondo la rivendicazione 1, in cui detto almeno un sensore (5) Ã ̈ fisso ed il corpo (3) Ã ̈ mobile rispetto ad esso.
3. 3. Sistema di misura (1) secondo la rivendicazione 2, in cui detto magnete (3) à ̈ movimentabile secondo una direzione perpendicolare a detto asse di simmetria (h), mentre il sensore (5) à ̈ posto su un piano (α2) perpendicolare a detto asse di simmetria (h) e non passante per il centro (C) del magnete (3).
4. 4. Sistema di misura (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto campo magnetico (B) ha simmetria cilindrica.
5. 5. Sistema di misura (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto corpo (3) Ã ̈ un magnete permanente.
6. 6. Sistema di misura (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre un blocco di elaborazione delle tre componenti vettoriali (Bx, By, Bz) rilevate da detto almeno un sensore (5), detto blocco di elaborazione essendo configurato per calcolare almeno una componente radiale (Br) così definita: Br = Bx<2> By<2> e per calcolare la posizione relativa a partire dalla funzione arctan  B . ïƒ ̈ Bzïƒ ̧
7. 7. Sistema di misura (1) secondo le rivendicazioni da 1 a 5, comprendente inoltre un blocco di elaborazione delle tre componenti vettoriali (Bx, By, Bz) rilevate da detto almeno un sensore (5), detto blocco di elaborazione essendo configurato per calcolare almeno una componente radiale (Br) così definita: Br = Bx<2> By<2> e per calcolare la posizione relativa a partire dalla formula:  r ïƒ1⁄4 ïƒ ̄ f1 B Br se  ï ›0, 1ï ïƒ ̄ ïƒ ̈ Bzïƒ ̧ Bz ïƒ ̄ïƒ ̄ ïƒ ïƒ1⁄2 ïƒ ̄  Bz ïƒ ̄ f 2  altrimentiïƒ ̄  ïƒ ̈ Brïƒ ̧ ïƒ ̄ïƒ3⁄4 dove f1 à ̈ una polinomiale del terzo ordine ed f2 à ̈ una polinomiale del quinto ordine.
8. 8. Sistema di misura (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto almeno un sensore (5) Ã ̈ un sensore triassiale a effetto Hall.
9. 9. Sistema di misura (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre un involucro scatolare (6) alloggiante detto almeno un sensore (5), detto involucro scatolare (6) essendo provvisto di un deflettore magnetico (7) posto a copertura del sensore (5) per schermarlo da campi magnetici indesiderati.
10. 10. Sistema di misura (1) secondo la rivendicazione 9, in cui detto involucro scatolare (6) à ̈ equipaggiato con una piastra trasparente (8) sulla quale à ̈ riportato un reticolo per la lettura della misura.