RECEPTOR ULTRASONICO CON DIGITALIZACION PRECOZ DE SEÑALES Y SU USO.

Receptor ultrasónico con un convertidor ultrasónico (1, 2) para la generación de una señal analógica,

con un convertidor análogo/digital (9, 10) para la generación de una señal digital y con un demodulador (12) para la generación de una señal digital demodulada, caracterizado porque la señal digital demodulada está constituida por una serie de valores, en la que el valor siguiente respectivo en la serie reproduce el valor de la exploración siguiente y la serie presenta m palabras, en la que m es el número de las exploraciones en la ventana observada para la generación de la señal digital demodulada, así como está previsto un filtro de valores medios (14), que recibe la serie de los valores explorados en una matriz y para la serie de los valores de exploración de la señal siguiente se describe otra matriz, en la que por medio del instante inicial comparable de las ventanas observadas para la generación de la señal y la misma exploración en los mismos lugares de la matriz respectiva, se registran los valores explorados en el mismo instante de exploración, respectivamente, en comparación con el instante inicial, de manera que se describen n matrices, en las que n es número de las señales, que evalúa el filtro de valores medios, para generar una matriz de resultados, en la que el filtro de valores medios (14) lee para la filtración de un punto de exploración los n valores asociados a este punto de exploración en las matrices, clasifica los valores leídos según su tamaño y emite el valor en la medio (valor medio), siendo escrito el valor medio en una matriz de resultados

Tipo: Patente Europea. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: E05015591.

Solicitante: BETRIEBSFORSCHUNGSINSTITIT VDEH INSTITUT FUR ANGEWANDTE FORSCHUNG GMBH.

Nacionalidad solicitante: Alemania.

Dirección: SOHNSTRASSE 65,40237 DUSSELDORF.

Inventor/es: OBERHOFF,DIETMAR, FLOHR,GUIDO, COEN,GUNTHER,DR.

Fecha de Publicación: .

Fecha Solicitud PCT: 19 de Julio de 2005.

Fecha Concesión Europea: 10 de Febrero de 2010.

Clasificación Internacional de Patentes:

  • G01N29/24B
  • G01N29/36 SECCION G — FISICA.G01 METROLOGIA; ENSAYOS.G01N INVESTIGACION O ANALISIS DE MATERIALES POR DETERMINACION DE SUS PROPIEDADES QUIMICAS O FISICAS (procedimientos de medida, de investigación o de análisis diferentes de los ensayos inmunológicos, en los que intervienen enzimas o microorganismos C12M, C12Q). › G01N 29/00 Investigación o análisis de materiales por el empleo de ondas ultrasonoras, sonoras o infrasonoras; Visualización del interior de objetos por transmisión de ondas ultrasonoras o sonoras a través del objeto (G01N 3/00 - G01N 27/00 tienen prioridad). › Detección de la señal de respuesta.
  • H03D3/00C
  • H04B11/00 SECCION H — ELECTRICIDAD.H04 TECNICA DE LAS COMUNICACIONES ELECTRICAS.H04B TRANSMISION.Sistemas de transmisión que emplean ondas ultrasonoras, sonoras o infrasonoras.

Clasificación PCT:

  • G01N29/24 G01N 29/00 […] › Sondas.
  • G01N29/36 G01N 29/00 […] › Detección de la señal de respuesta.

Clasificación antigua:

  • G01N29/24 G01N 29/00 […] › Sondas.
  • G01N29/36 G01N 29/00 […] › Detección de la señal de respuesta.

Países PCT: Austria, Bélgica, Suiza, Alemania, Dinamarca, España, Francia, Reino Unido, Grecia, Italia, Liechtensein, Luxemburgo, Países Bajos, Suecia, Mónaco, Portugal, Irlanda, Eslovenia, Finlandia, Rumania, Chipre, Lituania, Letonia, Ex República Yugoslava de Macedonia, Albania.


Fragmento de la descripción:

Receptor ultrasónico con digitalización precoz de señales y su uso.

La invención se refiere a un receptor ultrasónico y a la utilización de un receptor ultrasónico, a receptores ultrasónicos y a su utilización.

Los receptores ultrasónicos se pueden emplear, por ejemplo, en el ensayo no destructivo de materiales, especialmente de tubos, cables y bandas. A tal fin, se genera una onda ultrasónica en el cuerpo de ensayo, por ejemplo por medio de un cabezal piezoeléctrico de ensayo o -sin contacto- por medio de un EMAT. La señal ultrasónica emitida es recibida por el receptor ultrasónico y es convertida en una señal. A partir de la curva de la señal se obtiene una información sobre defectos del material en el cuerpo de ensayo. No obstante, en el caso de empleo de EMAT se plantea el problema de que las amplitudes ultrasónicas generables son muy pequeñas, puesto que un EMAT presenta aproximadamente un 10% de la efectividad de un convertidor piezoeléctrico. Como ayuda se emplean con frecuencia emisores potentes caros.

Especialmente en el campo técnico del ensayo no destructivo de materiales se emplean receptores ultrasónicos en entornos muy afectados por señales de interferencia. En el ensayo del material de bandas en un tren de laminación se generan señales de interferencia fuertes a través de los accionamientos de los bastidores de laminación. Estas señales de interferencia perturban también la preparación de la señal ultrasónica convertida en una señal. Tales interferencias reducen la fuerza expresiva de la señal de medición. En parte, no es posible un análisis adecuado de la señal.

En el pasado se ha intentado blindar la instalación eléctrica analógica, que sigue al convertidor ultrasónico, frente a las interferencias. Tales blindajes son, sin embargo, costosos. Además, en una pluralidad de campos de aplicación, el espacio de construcción es limitado en la proximidad inmediata del convertidor ultrasónico del receptor ultrasónico. Por lo tanto, el convertidor ultrasónico está realizado separado, en general, de la instalación eléctrica analógica de análisis conectada a continuación. Debido a estas particularidades espaciales invariables, en el pasado era necesario conectar el convertidor ultrasónico a través de cable de hasta 30 metros de largo con la electrónica de evaluación. Estas líneas de conexión, pero también la propia electrónica de evaluación, están expuestas a las señales de interferencia fuertes del entorno de trabajo, de manera que en el pasado no se podían generar señales con relación de señal/ruido grande y distancia de señal/interferencia grande con un receptor de ultrasonido.

Además, se conoce en el campo técnico de la trituración de carbón a partir del documento US 5.987.966 un dispositivo para la determinación continua de la cantidad de carbón en el molino. Una onda ultrasónica es emitida a través del molino desde un emisor de ondas ultrasónicas hacia un receptor de ondas ultrasónicas. El receptor de ondas ultrasónicas presenta un circuito, que puede calcular la cantidad de carbón a través de una comparación de la señal recibida con valores de calibración. La señal recibida por el receptor es amplificada por medio de un amplificador correspondiente y luego es convertida en una señal digital a través de un convertidor analógico/digital. A través de una comparación de las amplitudes de la señal ahora digitalizada con una señal de referencia se puede determinar la cantidad de carbón en un molino.

Se conoce a partir del documento EP 1 416 443 un dispositivo de procesamiento de imágenes y un dispositivo de diagnosis ultrasónica, en el que se realiza un filtrado a través de un filtro de valores medios. Se conoce a partir del documento US 2002/0060751 un dispositivo para la recepción y/o procesamiento posterior de señales digitales y/o analógicas de radiofrecuencia para filtrar ruidos a través de un filtro de valores medios a partir de una señal.

Ante estos antecedentes, la invención tiene el problema de proponer un receptor ultrasónico con relación de señal/ruido grande y distancia de señal/interferencia grande.

Este problema se soluciona a través del objeto de la reivindicación 1. Las configuraciones ventajosas se indican en las reivindicaciones dependientes.

La invención parte de la idea básica de digitalizar precozmente la señal analógica generada por el convertidor ultrasónico. Esto se lleva a cabo de acuerdo con la invención ya entre el convertidor ultrasónico y el demodulador.

A través de la digitalización precoz de la señal analógica generada por el convertidor ultrasónico se procesa, en el procesamiento siguiente de la señal del receptor ultrasónico, una señal digital que es insensible frente a señales de interferencia. La digitalización precoz permite, además, elevar la dinámica de la señal útil. Mientras que con los sistemas convencionales era habitual una dinámica de la señal de aproximadamente 65 dB, el sistema de acuerdo con la invención posibilita una dinámica de la señal de 120 dB (dinámica de la señal 1.000.000/1). Esta dinámica de la señal se puede elevar incluso todavía en el futuro con el progreso de la frecuencia de sincronización y la resolución de las componentes digitales de la electrónica de evaluación. Ya esta zona dinámica hecha posible a través de la invención permite simplificar el sistema hasta el punto de que no se puede emplear un pre-amplificador controlable, sino solamente un pre-amplificador constante, puesto que las señales analógicas generadas por el convertidor ultrasónico solamente deben adaptarse de manera aproximada a la zona dinámica de los convertidores analógicos/digitales. A través de una pre-amplificación se puede adaptar la tensión de la señal analógica a la zona de la tensión de entrada de convertidor analógico/digital. Todo el procesamiento posterior de la señal se realiza digitalmente. A través del empleo de un pre-amplificador constante se simplifican o bien se ahorran de nuevo componentes propensas a interferencias, especialmente analógicas, de manera que también delante del convertidor analógico/digital se consiguen reducciones de las interferencias de las señales.

La estructura predominantemente digital del procesamiento de la señal permite alimentar la unidad de procesamiento de las señales con una única fuente de alimentación. Puesto que solamente debe utilizarse una fuente de alimentación, ésta se puede blindar con mayor gasto, sin provocar costes demasiado altos. En las unidades convencionales de procesamiento de señales analógicas, los diferentes componentes eran alimentados con diferentes fuentes de alimentación. Esto elevaba, por una parte, los lugares en los que se introducían interferencias en el sistema. Por otra parte, a través del blindaje de la pluralidad de fuentes de alimentación se ocasionaban costes altos, que conducían con frecuencia a que las fuentes de alimentación solamente se blindasen en una medida insuficiente.

De acuerdo con la invención, como convertidor ultrasónico se emplea especialmente un EMAT. Pero también se pueden emplear convertidores piezoeléctricos o similares.

En particular, se emplea con preferencia un convertidor analógico/digital, que presenta una resolución de al menos 14 bits y una frecuencia de sincronización de al menos 50 MHz, con preferencia al menos 80 MHz. En la selección de la resolución y de la frecuencia de sincronización del convertidor analógico/digital es válido seleccionar el mejor compromiso entre el precio del aparato (presumiblemente aumenta con la resolución) y la resolución. Mientras que a través de la elevación de la resolución en un bit, se duplica la resolución, a través de una duplicación de la frecuencia de sincronización solamente se consigue una mejora de sqrt2. A través de la elevación de la resolución es posible generar señales más precisas también a frecuencia de sincronización más baja que, por ejemplo, con un convertidor analógico/digital, que presenta una resolución de 8 bits y una frecuencia de sincronización de 500 MHz, aunque tales convertidores analógicos/digitales se pueden emplear, en general, en el receptor ultrasónico de acuerdo con la invención.

De manera especialmente preferida, el demodulador digital realiza una transformación de Hilbert. Una demodulación de este tipo se describe, entre otros, en A. V. Oppenheim y R. W. Schaler, Discret time signal processing, Prantics Hall, New Jersey, 2ª edición, 1999. Las transformaciones de Hilbert se designan, en parte, también como demoduladores de cuadratura.

Una transformación...

 


Reivindicaciones:

1. Receptor ultrasónico con un convertidor ultrasónico (1, 2) para la generación de una señal analógica, con un convertidor análogo/digital (9, 10) para la generación de una señal digital y con un demodulador (12) para la generación de una señal digital demodulada, caracterizado porque la señal digital demodulada está constituida por una serie de valores, en la que el valor siguiente respectivo en la serie reproduce el valor de la exploración siguiente y la serie presenta m palabras, en la que m es el número de las exploraciones en la ventana observada para la generación de la señal digital demodulada, así como está previsto un filtro de valores medios (14), que recibe la serie de los valores explorados en una matriz y para la serie de los valores de exploración de la señal siguiente se describe otra matriz, en la que por medio del instante inicial comparable de las ventanas observadas para la generación de la señal y la misma exploración en los mismos lugares de la matriz respectiva, se registran los valores explorados en el mismo instante de exploración, respectivamente, en comparación con el instante inicial, de manera que se describen n matrices, en las que n es número de las señales, que evalúa el filtro de valores medios, para generar una matriz de resultados, en la que el filtro de valores medios (14) lee para la filtración de un punto de exploración los n valores asociados a este punto de exploración en las matrices, clasifica los valores leídos según su tamaño y emite el valor en la medio (valor medio), siendo escrito el valor medio en una matriz de resultados.

2. Receptor ultrasónico de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el convertidor analógico/digital (9, 10) presenta una resolución de al menos 14 bits y una frecuencia de sincronización de al menos 50 MHz.

3. Receptor ultrasónico de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque el demodulador (12) realiza una transformación de Hilbert de una señal digital.

4. Receptor ultrasónico de acuerdo con una de las reivindicaciones 2 a 4, caracterizado porque el demodulador (12) presenta un NCO (oscilador controlado numéricamente), una mezcladora I/Q (mezcladora en fase y en cuadratura), un filtro FIR (filtro de respuesta de impulso finito) y un convertidor "cartesiano a polar".

5. Receptor ultrasónico de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por una derivación conmutable (15) para el filtro de valores medios.

6. Receptor ultrasónico de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por una conexión de Ethernet (4).

7. Receptor ultrasónico de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 6, con un primer convertidor ultrasónico (1) para la generación de una primera señal analógica, un primer convertidor analógico/digital (9) para la generación de una primera señal digital, un segundo convertidor ultrasónico (2) para la generación de una segunda señal analógica, un segundo convertidor analógico/digital (10) para la generación de una segunda señal digital, y un demodulador (12) para la generación de una señal digital demodulada.

8. Receptor ultrasónico de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizado por un multiplicador (20) para la primera señal digital, un elemento de retardo (21) para la segunda señal digital y un sumador (22) para la adición de la señal de salida digital del multiplicador (20) y de la señal de salida digital del elemento de retardo (21).

9. Receptor ultrasónico de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizado por un multiplicador (20) con factor de multiplicación ajustable.

10. Receptor ultrasónico de acuerdo con una de las reivindicaciones 8 ó 9, caracterizado por un elemento de retardo (21) con retardo ajustable.

11. Receptor ultrasónico de acuerdo con una de las reivindicaciones 9 ó 10, caracterizado por un elemento de análisis (25) para la observación de la primera y de la segunda señal digital y para el cálculo, regulación o control del factor de multiplicación y/o del retardo a ajustar.


 

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