Dispositivo per Ia rilevazione di una caratteristica di un materiale fibroso

SETTORE TECNICO La presente invenzione e relativa ad un dispositivo per Ia rilevazione di almeno una caratteristica di un materiale fibroso, un risonatore di tale dispositivo ed una macchina per Ia fabbricazione di articoli cilindrici delPindustria della lavorazione del tabacco, in particolare di sigarette, comprendente tale dispositivo. In particolare, Ia presente invenzione e relativa ad un dispositivo per

Ia rilevazione di almeno una caratteristica di un materiale fibroso, comprendente un passaggio, lungo il quale, in uso, il materiale fibroso viene alimentato in una direzione determinata, ed un risonatore a microonde. Il risonatore comprende almeno un corpo di materiale conduttore, almeno una camera, Ia quale e delimitata dal corpo, mezzi emittenti per emettere segnali a microonde e mezzi riceventi per ricevere segnali a microonde. La camera contiene almeno un primo materiale dielettrico. NeI presente testo, per "materiale fibroso" si intende un materiale contenente fibre. Preferibilmente, il materiale fibroso e scelto nel gruppo consistente in: tabacco e acetato di cellulosa. NeI presente testo per "caratteristica di un materiale fibroso" si intende un caratteristica scelta nel gruppo consistente in: densita, umidita e presenza di sostanze estranee. STATO DELL'ARTE ANTERIORE

US6452404 descrive un dispositivo per Ia misurazione delPumidita del tabacco comprendente un risonatore a microonde di forma sostanzialmente cilindrica presentante un foro assiale passante. I dispositivi rilevatori del tipo sopra definito presentano il problema

di essere relativamente ingombranti, in particolare nel caso in cui si intenda fare lavorare il risonatore a frequenze relativamente basse. In questi casi i risonatori di tipo noto risultano essere relativamente ingombranti nella loro estensione sostanzialmente perpendicolare alia direzione determinata.

NeI caso sia necessario misurare l'umidita e/o Ia densita del tabacco di due bachi avanzati tra loro paralleli ad una distanza relativamente ridotta risulta essere particolarmente complesso riuscire a posizionare i risonatori relativamente ingombranti di tipo noto. Scopo della presente invenzione e realizzare un dispositivo per Ia rilevazione di almeno una caratteristica di un materiale fibroso, un risonatore di tale dispositivo ed una macchina per Ia fabbricazione di articoli cilindrici dell'industria della lavorazione del tabacco comprendente tale dispositivo, i quali permettano di superare, almeno parzialmente, gli inconvenienti sopra descritti e siano, nel contempo, di facile ed economica realizzazione. OGGETTO DELL'INVENZIONE

Secondo Ia presente invenzione vengono realizzati un dispositivo per Ia rilevazione di almeno una caratteristica di un materiale fibroso, un risonatore di tale dispositivo ed una macchina per Ia fabbricazione di articoli cilindrici dell'industria della lavorazione del tabacco comprendente tale dispositivo secondo quanto licitato nelle rivendicazioni indipendenti sotto riportate o in una qualsiasi delle rivendicazioni dipendenti direttamente o indirettamente dalle menzionate rivendicazioni indipendenti.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

La presente invenzione verra ora descritta con riferimento ai disegni annessi, che ne illustrano degli esempi di attuazione non limitativi, in cui:

- Ia figura 1 e una vista frontale e schematica, con alcuni particolari asportati per chiarezza, di una porzione di una macchina per Ia produzione di sigarette realizzata in accordo con Ia presente invenzione; - Ia figura 2 e una vista prospettica e schematica, con alcuni particolari asportati per chiarezza, di un dispositivo per Ia rilevazione dell'umidita e/o della densita realizzato in accordo con Ia presente invenzione;

- Ia figura 3 illustra una sezione longitudinale del dispositivo della figura 2;

- Ia figura 4 illustra una sezione longitudinale di un'ulteriore forma di attuazione del dispositivo della figura 3;

- Ia figura 5 e un grafico di dati sperimentali, nel quale in ascissa e riportata Ia frequenza in GHz ed in ordinata e riportata Ia potenza misurata;

- Ia figura 6 e un grafico di dati sperimentali, nel quale in ascissa sono riportati scarti di frequenza in GHz ed in ordinata sono riportati gli scarti di potenza misurata;

- Ia figura 7 illustra delle rette ricavate per interpolazione lineare di dati sperimentali ottenuti con misurazioni di tabacco presentante densita e umidita note: in ascissa e riportato il rapporto A _δ /A _i5 in ordinata e riportata Ia densita;

- Ia figura 8 illustra schematicamente l'intensita rilevata sperimentalmente di una componente elettrica di un campo di microonde generato dal dispositivo della figura 1 ; e

- Ia figura 9 illustra schematicamente l'intensita rilevata sperimentalmente di una ulteriore componente elettrica di un campo di microonde generato dal dispositivo della figura 1.

FORMA DI REALIZZAZIONE PREFERJTA DELL'INVENZIONE

Nella figura 1, e illustrata una porzione di una macchina 1 per Ia produzione di sigarette. La macchina 1 comprende un convogliatore 2, il quale e atto ad avanzare un baco 3 di sigaretta (vale dire un cordone di tabacco rivestito di carta) lungo un percorso P in una direzione A determinata attraverso un dispositivo 4

(schematicamente illustrato nella figura 1) rilevatore per Ia rilevazione della densita e/o umidita del tabacco del baco 3. Facendo particolare riferimento alle figure 2 e 3, il dispositivo 4 comprende un risonatore 5 a microonde atto a misurare Ia densita e/o l'umidita del tabacco. Il risonatore 5 e atto a realizzare un campo di microonde, il quale presenta una geometria determinata, e ad emettere segnali di rilevazione. In particolare, il risonatore 5 comprende un'antenna emittente 6, Ia quale e collegata ad un generatore 7, e un'antenna ricevente 8, Ia quale e collegata ad un elaboratore 9.

L 'antenna emittente 6 e 1' antenna ricevente 8 sono orientate trasversalmente, preferibilmente perpendicolarmente, alia direzione A. L'orientamento delle antenne emittente e ricevente 6 e 8 permette una emissione ed una ricezione ottimale del campo di microonde.

Il risonatore 5 comprende un corpo 10 di almeno un materiale conduttore, in particolare materiale metallico quale acciaio, ed una camera 11 delimitata dal corpo 10. La camera 11 contiene almeno un materiale dielettrico; per materiale dielettrico si intende un materiale avente scarse capacita conduttive, ma supportante in maniera relativamente efficiente campi elettrici. Esempi non limitativi di materiali dielettrici comprendono: aria, materiali polimerici in forma liquida, in forma solida, in forma schiumosa, in forma gelatinosa (ad esempio polietilene o poliuretano che possono

assumere forma solida o forma gelatinosa o schiumosa), liquidi organici (vale a dire liquidi contenenti composti del carbonio), il vuoto.

Come illustrato nelle figure 2 e 3, il corpo 10 presenta una forma anulare sostanzialmente cilindrica circolare e definisce un lume 12, che delimita, almeno parzialmente, un passaggio 13, lungo il quale, in uso, viene avanzato il baco 3; il lume 12 e sostanzialmente coassiale al corpo 10. La camera 11 presenta una sezione parallela alia direzione A a forma di L e comprende una porzione 14 sostanzialmente parallela alia direzione A ed una porzione 15 trasversale, in particolare sostanzialmente perpendicolare, alia direzione A stessa. La porzione 15 presenta una estremita 16 collegata alia porzione 14 ed una estremita 17, Ia quale e opposta all' estremita 16 ed e rivolta aperta, vale a dire non delimitata dal materiale conduttore, verso il passaggio 13; in particolare, l'estremita 17 e delimitata dal passaggio 13. Secondo forme di attuazione preferite, l'estremita 17 presenta una lunghezza, misurata parallelamente alia direzione A, compresa tra 0,5 e 3 millimetri; piύ preferibilmente, tale lunghezza e di un millimetre.

Le porzioni 14 e 15 presentano rispettive forme anulari sostanzialmente coassiali tra loro ed al corpo 10; in particolare, Ie porzioni 14 e 15 presentano rispettive forme sostanzialmente cilindriche circolari. Il corpo 10 presenta due semigusci 18 e 19, i quali, combinandosi tra loro, sono atti a delimitare Ia citata camera 11. I semigusci 18 e 19 sono anulari e sono tra loro accoppiati mediante mezzi di bloccaggio, in particolare due viti (non illustrate). Il risonatore 5 e sostanzialmente un risonatore di tipo coassiale, in

cui Ia porzione 14 funge da linea di trasmissione cortocircuitata e i semigusci 18 e 19 definiscono una capacita in corrispondenza della porzione 15.

Il corpo 10 comprende una parete 24, Ia quale separa Ia porzione 14 ed il passaggio 13 e presenta una superficie di estremita 25 ed una superficie esterna 26 trasversale alia superficie di estremita 25 e almeno parzialmente delimitante il passaggio 13; ed una parete 27, Ia quale e disposta da banda opposta della porzione 14 rispetto alia parete 24 e presenta una superficie interna 28. La superficie di estremita 25 delimita parzialmente Ia seconda porzione 15 e presenta una larghezza, misurata sostanzialmente ortogonalmente alia direzione A, superiore o uguale (preferibilmente superiore) alia meta di una distanza tra Ia superficie interna 28 e Ia superficie esterna 26, Ia quale distanza e misurata parallelamente alia detta larghezza, in corrispondenza della porzione 15. In particolare, Ia superficie esterna 26 e sostanzialmente parallela alia superficie interna 28 e sostanzialmente ortogonale alia superficie di estremita 25; Ia larghezza e Ia distanza sono misurate radialmente rispetto ad un asse longitudinale del corpo 10 passante lungo il lume 12. Il risonatore 5 comprende inoltre un elemento di separazione 20, il quale e di un materiale dielettrico, presenta una forma anulare sostanzialmente cilindrica circolare ed e disposto sostanzialmente coassialmente al corpo 1O e alle porzioni 14 e 15. In particolare, l'elemento di separazione 20 e disposto all'interno della porzione 15, in corrispondenza dell'estremita 17, ed e conformato in modo da sostanzialmente impedire a particelle di tabacco di entrare nella camera 11. Preferibilmente il materiale dielettrico dell' elemento di separazione 20 presenta una costante dielettrica diversa dalla costante dielettrica del materiale dielettrico contenuto nella porzione

14 della camera 11. Secondo una preferita forma di attuazione, Ia camera 11 contiene aria; Pelemento di separazione e di polietilene. Secondo alternative e non illustrate forme di attuazione, Ia camera 11 presenta una sezione parallela alia direzione A a forma di T. Secondo alternative forme di attuazione, Ia camera 11 contiene aria a pressione ridotta, vale a dire a pressione inferiore ad una atmosfera, o il vuoto.

La figura 8 illustra schematicamente l'intensita della componente elettrica ortogonale alia direzione A del campo di microonde generato dal risonatore 5; Ia figura 9 illustra schematicamente l'intensita della componente elettrica parallela alia direzione A del campo di microonde generato dal risonatore 5; zone piύ scure indicano un'intensita maggiore. Il campo di microonde, come si evince dalle figure 8 e 9, e particolarmente intenso nella porzione 15 della camera 11 e nella parte del passaggio 13 disposto in corrispondenza della porzione 15. La concentrazione del campo in corrispondenza della porzione 15 e determinata principalmente dalla particolare geometria della camera 11 e non dalla tipologia di materiale dielettrico contenuto della camera 11 stessa. Si noti che alcuni elementi della geometria del risonatore 5 e, in particolare della camera 11 , permettono di variare Ia frequenza del campo di microonde senza variare l'ingombro radiale del corpo 10. A questo riguardo e importante sottolineare che, allungando Ia porzione 14, e possibile diminuire Ia frequenza del campo di microonde. In questo modo, e possibile ottenere dei risonatori 5 di dimensioni relativamente ridotte che, quindi, possono essere vantaggiosamente utilizzati anche in macchine per Ia produzione di sigarette che prevedono di avanzare due o piύ bachi 3 tra loro paralleli ed affiancati.

Particolarmente vantaggioso, al fine di variare Ia frequenza del campo di microonde, e il sopra descritto rapporto dimensionale fra Ia larghezza della superficie di estremita 25 e Ia distanza fra Ia superfϊcie interna 28 e Ia superficie esterna 26. In uso, mentre il baco 3 attraversa il dispositivo 4, il risonatore 5 genera il campo di microonde, che viene perturbato dal tabacco del baco 3, ed emette un segnale di rilevazione funzione della perturbazione. A questo punto, l'elaboratore 9 confronta il segnale di rilevazione con un dato di riferimento; in particolare, l'elaboratore 9 determina un dato di rilevazione in funzione del segnale di rilevazione e confronta il dato di rilevazione con il dato di riferimento. Laddove Ia differenza fra segnale di rilevazione e dato di riferimento superi un valore di soglia determinato, viene emesso un segnale d'errore identificante una porzione difettosa del baco 3. In questo caso, in uso, un'unita di scarto (non illustrata) disposta a valle del dispositivo 4 e collegata all'elaboratore 9 prowede ad eliminare Ia porzione difettosa del baco 3. Per meglio comprendere il funzionamento del risonatore 5 e delFelaboratore 9 si fa ora particolare riferimento alle figure 5 e 6. Periodicamente il risonatore 5 effettua una spazzolata ("sweep") in modo da fare variare Ia frequenza delle microonde del campo di microonde tra 1 GHz e 300 GHz. Preferibilmente Ia frequenze delle microonde viene fatta variare tra 2 e 3 GHz, in questo modo non si provoca il riscaldamento del tabacco e/o di tessuti biologici che eventualmente si trovassero in corrispondenza del campo di microonde.

Nella figura 5, Ia quale riporta in ascissa Ia frequenza delle microonde ed in ordinata Ia potenza misurata, viene illustrata un curva di riferimento C _R relativa ad un segnale di riferimento

ricavato in sostanziale assenza di alcun oggetto all'interno del campo di microonde. La curva di riferimento C _R presenta un picco ad una frequenza di riferimento A _R determinata ed un'ampiezza di riferimento B _R a meta altezza di picco. Nella figura 5, sono anche rappresentate curve di risposta Ci, C _U , C _U ; di relativi segnali di rilevazione. Ciascuna curva di risposta presenta una relativa frequenza rilevata Aj di picco ed una relativa ampiezza rilevata Bj a meta altezza di picco; Ia frequenza rilevata Aj di picco e l'ampiezza rilevata B; sono funzioni di un'umidita ed una densita di una porzione del baco 3.

In uso, l'elaboratore 9 riceve il segnale di rilevazione e determina Ia frequenza rilevata Aj di picco e l'ampiezza rilevata B;, Ie quali vengono successivamente elaborate per permettere il confronto tra il segnale di rilevazione ed il dato di riferimento. Preferibilmente, l'elaboratore 9 determina un primo scarto A _δ tra Ia frequenza rilevata A; di picco e Ia frequenza di riferimento A _R ed un secondo scarto B _δ tra l'ampiezza rilevata B; e l'ampiezza di riferimento B _R . A questo punto, viene ricavata un'umidita rilevata del baco 3, in particolare, mediante Ia seguente funzione:

φ = arctg- Af- ⁵ A in cui φ e direttamente proporzionale all'umidita rilevata. A questo riguardo e importante sottolineare che in un grafico sperimentale riportante in ascissa il primo scarto A _δ ed in ordinata il secondo scarto B _δ (come illustrato in figura 6) i punti relativi a segnali di rilevazione di successive porzioni del baco 3 con sostanzialmente uguale umidita giacciono sostanzialmente su medesime rette. Dopo avere ottenuto 1' umidita rilevata, l'elaboratore 9 determina, preferibilmente, una densita rilevata del tabacco in funzione

dell'umidita rilevata e del primo scarto A _δ o del secondo scarto B _δ . In particolare, Ia densita viene calcolata utilizzando curve (in particolare, rette) T pre-determinate sperimentalmente (illustrate in figura 7). Ciascuna curva T definisce l'andamento della densita (indicata con il simbolo p nella figura 7) in funzione del rapporto

A _δ /Aj ad una umidita determinata costante (e quindi ad una φ determinata costante).

A questo punto, Ia densita rilevata viene confrontata con una densita di riferimento; laddove Ia differenza fra densita rilevata e densita di riferimento ecceda il valore di soglia viene emesso il segnale d'errore.

Alternativamente a quanto sopradescritto, il funzionamento del risonatore 5 e dell'elaboratore 9 puό essere analogo a quanto descritto in uno dei seguenti documenti: DE202005010375, EP791823, EP902277.

Secondo un'ulteriore forma di attuazione illustrata nella figura 4, il risonatore 5 comprende due sottounita 21 e 22 tra loro separate e di forma sostanzialmente parallelepipeda. Ciascuna sottounita 21 e 22 comprende un rispettivo corpo 10, il quale presenta due relativi semigusci 18 e 19 di materiale conduttore, ed una rispettiva camera

11 delimitata dai due semigusci 18 e 19.

Ciascuna camera 11 presenta una forma a T sostanzialmente asimmetrica e contiene un elemento 23 di un materiale dielettrico solido (in particolare, polietilene oppure poliuretano). Secondo una ulteriore non illustrata forma di attuazione ciascuna camera 11 presenta una forma a L.

Le camere 11 presentano rispettive porzioni 14 e 15 ed il corpo 10 comprende una parete 24, Ia quale separa Ia porzione 14 ed il passaggio 13 e presenta una superficie di estremita 25 ed una

superficie estema 26 trasversale alia superficie di estremita 25 e almeno parzialmente delimitante il passaggio 13; ed una parete 27, Ia quale e disposta da banda opposta della porzione 14 rispetto alia parete 24 e presenta una superficie interna 28. La superficie di estremita 25 delimita parzialmente Ia seconda porzione 15 e presenta una larghezza, misurata sostanzialmente ortogonalmente alia direzione A, superiore o uguale (preferibilmente superiore) alia meta di una distanza tra Ia superficie interna 28 e Ia detta superficie esterna 26, Ia quale distanza e misurata parallelamente alia detta larghezza, in corrispondenza della porzione 15. In particolare, Ia superficie esterna 26 e sostanzialmente parallela alia superficie interna 28 e sostanzialmente ortogonale alia superficie di estremita 25; Ia larghezza e Ia distanza sono misurate radialmente rispetto ad un asse longitudinale del corpolO passante lungo il lume 12. Anche in questo caso, variando esclusivamente l'estensione longitudinale della porzione 14, e possibile variare Ia frequenza del campo di microonde.

Secondo alternative e non illustrate forme di attuazione, Ie camere 11 contengono esclusivamente aria. Secondo una ulteriore e non illustrata forma di attuazione, il corpo

10 e un unico pezzo e non comprende due semigusci. Secondo alternative e non illustrate forme di attuazione, il corpo 10 delimitante Ia camera 11 comprende un primo materiale conduttore, quale l'acciaio, ed un secondo materiale conduttore, quale ad esempio l'alluminio o Ia lega Invar. Ad esempio, il corpo 10 puό presentare il semiguscio 18 ed il semiguscio 19 realizzati rispettivamente nel primo materiale conduttore e nel secondo materiale conduttore oppure, in alternativa, il corpo 10 puό presentare porzioni del semiguscio 18 e del semiguscio 19 realizzate

rispettivamente nel primo materiale conduttore e nel secondo materiale conduttore.

Si noti che, selezionando opportunamente il primo ed il secondo materiale conduttore e/o Ia posizione delle porzioni dei semigusci realizzate nel primo o nel secondo materiale conduttore, e possibile minimizzare Ia dilatazione termica del materiale metallico costituente il corpo 1O e conseguentemente mantenere invariata Ia geometria della camera 11 delimitata dal corpo 10 stesso. Benche Ia sopraesposta descrizione specifichi come il dispositivo 4 possa essere utilizzato per Ia rilevazione e Ia misurazione della densita e/o dell'umidita del tabacco, e importante sottolineare che gli insegnamenti della presente invenzione possono essere vantaggiosamente utilizzati per Ia valutazione di almeno una caratteristica di altri tipi di materiali fibrosi. In questi casi il dispositivo 4 puό essere inserito in una macchina per Ia realizzazione di fϊltri per sigarette e/o per Ia realizzazione di sigari. Inoltre, gli insegnamenti della presente invenzione possono essere utilizzati per rilevare Ia presenza e/o Ia quantita di sostanze estranee (ad esempio particelle di plastica e/o metallo) nel materiale fibroso mediante particolari elaborazioni del segnale di rilevazione.