BR102016028630B1 - Aparelho de detecção de metal - Google Patents

Abstract

APARELHO DE DETECÇÃO DE METAL. Um aparelho de detecção de metal contendo uma unidade de transmissão (1) com um gerador de frequência (11) provê um sinal de entrada (sIN) com uma frequência operacional selecionável (fTX) para a entrada de um estágio do amplificador (12), cuja saída conectada através de um transformador de acoplamento (13) a uma bobina de transmissão (21) acoplada a uma primeira bobina de recepção e uma segunda bobina de recepção (3; 31, 32), bobinas conectadas a uma unidade de processamento de sinal (4) que inclui uma unidade de recepção (41) conectada a um processador de sinal (42). O transformador de acoplamento (13) compreende um primeiro enrolamento (13A) e um segundo enrolamento (13B) conectados à saída do estágio do amplificador (12) e um terceiro enrolamento (13C) conectado à bobina de transmissão (21), os ditos primeiro e segundo enrolamentos (13A, 13B) conectados por uma primeira extremidade a uma tensão de suprimento (+Ub) e cada um deles pelo menos uma tomada (141, 142, 143, 144; 141?, 142?, 143?, 144?) em mesmo número de espiras contado da dita primeira extremidade; o dito estágio do amplificador (12) compreendendo uma primeira ala de amplificação (12A) com um primeiro transistor de potência (T) conectado a tomada (141, 142, 143, 144) do primeiro enrolamento (13A) e uma segunda ala de amplificação (12B) com um segundo transistor de potência (T?) conectado a tomada (...).

Description

[001] A presente invenção refere-se a um aparelho de detecção de metal que usa uma ou mais frequências operacionais.

[002] Um aparelho de detecção de metal é usado para detectar a contaminação por metal em mercadorias comestíveis e outros produtos. Os aparelhos de detecção de metal modernos utilizam uma cabeça de busca que compreende um "sistema de bobinas balanceado" tipicamente com três bobinas que enroladas sobre uma estrutura não metálica. Uma bobina de transmissão localizada no centro é energizada com uma corrente elétrica de alta frequência que gera um campo magnético. Duas bobinas em cada lado da bobina de transmissão atuam como bobinas de recepção. Visto que as duas bobinas de recepção são idênticas e estão instaladas a uma mesma distância da bobina de transmissão, uma tensão idêntica é induzida em cada uma delas. De modo a receber um sinal de saída, que é zero, quando o sistema está em equilíbrio, a primeira bobina de recepção é conectada em série com a segunda bobina de recepção que possui um sentido de enrolamento inverso. Consequentemente, as tensões induzidas nas bobinas de recepção, que são de amplitude idêntica e polaridade inversa, se neutralizam no momento em que o sistema, na ausência de contaminação por metal, está em equilíbrio.

[003] À medida que uma partícula de metal passa pelo arranjo da bobina, o campo de alta frequência é abalado primeiramente próximo a uma bobina de recepção e, em seguida, próximo à outra bobina de recepção. Enquanto a partícula de metal é transportada através das bobinas de recepção, a tensão induzida em cada bobina de recepção é mudada tipicamente na faixa de nano-volts. Essa mudança em equilíbrio resulta em um sinal na saída das bobinas de recepção, que pode ser processado, amplificado e subsequentemente, usado para detectar a presença de contaminação por metal em um produto.

[004] Os canais de processamento de sinal normalmente dividem o sinal recebido em dois componentes separados que estão a 90° de distância um do outro. O vetor resultante possui uma magnitude e um ângulo de fase que é típico de produtos e contaminantes que são transportados pelas bobinas. De modo a identificar um contaminante metálico, os "efeitos do produto" precisam ser removidos ou reduzidos. Se a fase do produto for conhecida, então o vetor do sinal correspondente poderá ser reduzido. Desse modo, a eliminação de sinais indesejados do espectro do sinal leva a uma maior sensitividade dos sinais originários de contaminantes.

[005] Portanto, os métodos aplicados para eliminar sinais indesejados do espectro do sinal se beneficiam do fato de que os contaminantes, o produto e outros distúrbios têm influências diferentes sobre o campo magnético, de modo que os sinais resultantes diferem em fase uns dos outros.

[006] A distinção entre as fases dos componentes do sinal de diferentes origens por meio de um detector de fase permite que se obtenham informações sobre o produto e os contaminantes. Um detector de fase, por exemplo, um misturador de frequência ou um circuito multiplicador análogo, gera um sinal de tensão que representa a diferença de fase entre a entrada de sinal, tal como o sinal das bobinas de recepção e um sinal de referência provido pela unidade de transmissão para a unidade de recepção. Consequentemente, ao selecionar-se a fase do sinal de referência para que ele coincida com a fase do componente do sinal do produto, uma diferença de fase e um sinal de produto correspondente são obtidos na saída de um detector de fase que é zero. No caso em que a fase dos componentes do sinal que se originam a partir dos contaminantes difere da fase do componente do sinal de produto, os componentes do sinal dos contaminantes podem ser detectados. No entanto, no caso em que a fase dos componentes do sinal dos contaminantes é próxima da fase do componente do sinal de produto, a detecção de contaminantes falha, visto que os componentes do sinal dos contaminantes são suprimidos junto com o componente do sinal de produto. Em sistemas conhecidos, a frequência de transmissão é, portanto, selecionável para que a fase dos componentes do sinal dos contaminantes metálicos esteja distante da fase do componente do sinal de produto.

[007] O documento US8841903B2 apresenta o aparelho de detecção de metal mostrado abaixo na figura 1, o qual compreende uma unidade de transmissão 1 que provê sinais de transmissão para uma bobina de transmissão 21 que está indutivamente acoplada às primeira e segunda bobinas de recepção 3, 31, 32, as quais estão conectadas à entrada de uma unidade de processamento de sinal 4 que compreende uma unidade de recepção 41 conectada a um processador de sinal 42. A unidade de transmissão 1 compreende um gerador de frequência 11 que provê uma frequência operacional fTX para a entrada de um estágio do amplificador 12, cuja saída está conectada através de um transformador de acoplamento 13 à bobina de transmissão 21. A saída do estágio do amplificador 12 está conectada através de um primeiro banco de comutadores 14 a uma primeira tomada ("tap") 141; 142; 143 e a bobina de transmissão 21 está conectada através de um segundo banco de comutadores a uma segunda tomada 151; 152; 153; 154 do mesmo enrolamento de transformador 131 do transformador 13. O enrolamento do transformador 131 possui uma variedade de bobinas de enrolamento n entre a primeira tomada 141; 142; 143 e um potencial comum e uma variedade de bobinas de enrolamento n+m entre a segunda tomada 151; 152; 153; 154 e o potencial comum. A bobina de transmissão 21 compreende uma variedade de bobinas de enrolamento q e está conectada através de um terceiro banco de comutadores 23 para ajustar os capacitores 221, 222, 223 ou combinações dos mesmos, formando desse modo um circuito ressonante que está ajustado à frequência operacional fTX. A proporção n+m/q das bobinas de enrolamento do enrolamento de transformador 131 e das bobinas de enrolamento da bobina de transmissão 21 é selecionada para que a indutância do enrolamento de transformador 131 seja pelo menos dez vezes maior que a indutância da bobina de transmissão 21.

[008] Com esse arranjo, o circuito ressonante, o qual consiste na bobina de transmissão 21 e nos capacitores selecionáveis 221, 222, 223, pode ser ajustado de maneira ideal e independente de outras partes da unidade de transmissão. Devido à diferença de indutâncias, o transformador 13 é desacoplado do circuito ressonante, permitindo assim uma otimização individual das diferentes partes do transmissor.

[009] O estágio do amplificador consiste em um amplificador de classe A ou B, o qual pode ser selecionado para prover um sinal de saída em uma faixa de tensão adequada, por exemplo, 20 Vp.

[0010] Para a detecção de fase dos sinais de resposta, o transformador 13 compreende outro enrolamento de transformador 132, o qual possui uma primeira tomada e uma segunda tomada 1321, 1323 e uma tomada central 1322 disposta entre as mesmas. A tensão que surge ao longo do segundo enrolamento 132, a qual é introduzida como um sinal de referência sREF no processador de sinal 42, corresponde exatamente ao sinal que surge ao longo da bobina de recepção 3 quando nenhum produto P e/ou contaminante C passa pelo sistema de bobinas balanceado 21, 3. Consequentemente, com o sinal de referência sREF, as mudanças no sinal recebido e induzido pelos produtos P ou por contaminantes C podem ser detectadas com exatidão. Visto que o sinal de referência sREF possui fase bloqueada para o sinal de transmissão sTX na saída do amplificador de potência 12, as mudanças no sinal de resposta podem ser detectadas com precisão.

[0011] A figura 1 também mostra simbolicamente uma esteira 8,sobre a qual os produtos P, os quais podem compreender contaminantes C, são transferidos através da bobina de transmissão 21 e das bobinas de recepção 31, 32.

[0012] Esse arranjo de circuito vantajoso ainda possui desvantagens. Um circuito de classe A amplifica os sinais com o mínimo de distorção, porém, com baixa eficiência, visto que o transistor de potência consume corrente continuamente mesmo no estado quiescente. A eficiência do amplificador é definida como uma proporção da potência AC introduzida na carga dividida pela potência DC consumida pelo circuito. De maneira típica, na potência de saída máxima, a eficiência de um típico amplificador de Classe A é de apenas 40%, cerca de 10% menos que o seu máximo teórico de 50%. Com potência de saída reduzida, a eficiência cai de forma correspondente.

[0013] O circuito de classe AB evita a distorção cruzada em grande medida e opera com perdas reduzidas, visto que no estado quiescente, devido às polarizações aplicadas ao par complementar de transistores, existe apenas uma pequena corrente coletora. Esse circuito exige alas de amplificação complementares tipicamente com um transistor de potência PNP e NPN dispostos como seguidores emissores. A provisão de alas de amplificação diferentes, porém, complementares exige diferentes elementos eletrônicos e um modelo diferente para cada ala de amplificação e, portanto, esforços consideráveis de fabricação. Além disso, os estágios do amplificador de Classe AB, com um circuito "pushpull", tipicamente distribuem nos emissores dos transistores de potência complementares uma tensão de saída que é aplicada à carga. De modo a evitar a queda de tensão, a qual não é compensada, a tensão de saída é aplicada diretamente à carga, dispensando desse modo, o uso de cabos de conexão.

[0014] Além disso, o circuito de Classe AB não distribui sinais de referência para a detecção de fase, portanto, o dito enrolamento adicional 132 é necessário no transformador 13, o que resulta em custos adicionais de fabricação.

[0015] Além disso, as opções para ajustar e adaptar o circuito ressonante, as quais consistem na bobina de transmissão e nos capacitores de ajuste, à frequência do sinal de entrada são limitadas. Consequentemente, o aparelho de detecção de metal opera em uma faixa limitada de frequências operacionais.

[0016] A presente invenção é, portanto, baseada no objetivo de prover um aparelho de detecção de metal aprimorado.

[0017] De maneira particular, um aparelho de detecção de metal deve ser criado, o qual opera com distorções reduzidas e maior eficiência.

[0018] É desejável a aplicação de maiores tensões de acionamento à bobina de transmissão sem aumentar o nível das tensões de suprimento.

[0019] Além disso, é desejável prover um estágio do amplificador que possa ser disposto distante da cabeça detectora e possa ser conectado através de cabos de conexão mais longos à cabeça detectora.

[0020] Consequentemente, é desejável a criação de um aparelho aprimorado de detecção modular de metal com uma ou mais cabeças detectoras que possa ser adaptado de modo flexível a várias aplicações, de maneira particular, a aplicações nas quais é desejável a disposição de uma ou mais cabeças detectoras em posições expostas, nas quais o aparelho completo não poderia ser acomodado.

[0021] Além disso, é desejável a obtenção de tensões de referência de alta qualidade com esforços reduzidos.

[0022] Além disso, é desejável criar um aparelho de detecção de metal com pelo menos uma cabeça detectora, a qual pode ser mais precisamente ajustada e adaptada ao circuito remanescente.

[0023] Além disso, é desejável a criação de um amplificador que tenha um modelo mais simples e que possa ser fabricado com custos e esforços reduzidos, bem como especificações aprimoradas.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[0024] Esses e outros objetivos da presente invenção são obtidos por meio de um aparelho de detecção de metal conforme definido na reivindicação 1.

[0025] O aparelho de detecção de metal compreende uma unidade de transmissão com um gerador de frequência, o qual provê um sinal de entrada com uma frequência operacional selecionável para a entrada de um estágio do amplificador, cuja saída está conectada através de um transformador de acoplamento a uma bobina de transmissão que está acoplada a uma primeira bobina de recepção e uma segunda bobina de recepção, as quais estão conectadas a uma unidade de processamento de sinal que inclui uma unidade de recepção conectada a um processador de sinal.

[0026] De acordo com a invenção, o transformador de acoplamento compreende um primeiro enrolamento e um segundo enrolamento, os quais estão conectados à saída do estágio do amplificador e um terceiro enrolamento que está conectado à bobina de transmissão. Os primeiro e segundo enrolamentos estão conectados por uma primeira extremidade a uma tensão de suprimento e possuem pelo menos uma tomada com o mesmo número de espiras contado a partir da dita primeira extremidade. O estágio do amplificador compreende uma primeira ala de amplificação com pelo menos um primeiro transistor de potência conectado a pelo menos essa tomada do primeiro enrolamento e uma segunda ala de amplificação com pelo menos um segundo transistor de potência conectado a pelo menos essa tomada do segundo enrolamento e no qual a primeira ala de amplificação amplifica a primeira meia onda e a segunda ala de amplificação amplifica a segunda meia onda do sinal de entrada.

[0027] A unidade de transmissão do aparelho de detecção de metal da invenção, a qual inclui o estágio do amplificador e o transformador de acoplamento, compreende uma estrutura quase simétrica, a qual apresenta várias vantagens.

[0028] O estágio do amplificador pode ser configurado com duas alas, as quais operam de forma idêntica e as quais podem distribuir sinais de acionamento com alta eficiência e poucas distorções para cargas quase idênticas na forma dos primeiro e segundo enrolamentos. Devido a essa simetria, elementos eletrônicos idênticos, tais como transistores e resistores, podem ser selecionados com custo mais baixo e com especificações aprimoradas. As distorções que ocorrem no estágio do amplificador são comparáveis àquelas que ocorrem em um amplificador de classe A, embora a eficiência esteja pelo menos na faixa de um amplificador de classe AB.

[0029] Os primeiro e segundo enrolamentos do transformador de acoplamento compreendem, de maneira preferida, números idênticos de espiras com as respectivas primeira e segunda tomadas estando conectadas a um número idêntico de espiras dos primeiro e segundo enrolamentos. Consequentemente, em uma modalidade ideal, os primeiro e segundo enrolamentos do transformador de acoplamento apresentam uma total simetria.

[0030] Os primeiro e segundo transistores de potência são conectáveis através de um primeiro ou segundo comutador relacionado a uma respectiva primeira ou segunda tomada. Os primeiro e segundo comutadores são controlados por uma unidade de controle para que os transistores de potência estejam sempre conectados às tomadas correspondentes e a simetria total seja mantida.

[0031] Em uma modalidade preferida, as alas do amplificador estão projetadas para que os coletores dos primeiro e segundo transistores de potência sejam conectáveis através dos primeiro e segundo comutadores à respectiva primeira ou segunda tomada do transformador de acoplamento, portanto, a cargas idênticas.

[0032] A primeira extremidade do primeiro enrolamento e a primeira extremidade do segundo enrolamento estão conectadas a uma primeira tensão de suprimento. O primeiro enrolamento e o segundo enrolamento possuem, de maneira preferida, um sentido de enrolamento inverso em relação um ao outro. Isso permite o uso de estágios idênticos de alta potência com transistores de potência idênticos, os quais amplificam meias-ondas do sinal de entrada com a mesma polaridade. Para essa finalidade, a meia-onda do sinal de entrada é aplicada invertida em relação ao estágio do amplificador ou ela é invertida dentro do estágio do amplificador e em seguida, invertida novamente pelo transformador de acoplamento devido ao sentido inverso do enrolamento do primeiro ou segundo enrolamento, de modo a aplicar um sinal de onda completa à bobina de transmissão 21.

[0033] O uso de transistores de potência idênticos, de maneira particular, transistores de potência NPN idênticos, provê vantagens consideráveis. Em Tietze/Schenk, Halbleiterschaltungstechnik, décima primeira edição, Heidelberg 1999, capítulo 4.1, páginas 301-307, afirma- se que as propriedades dos transistores PNP e NPN diferem dos transistores PNP que são inferiores. Além disso, afirma-se que na tecnologia bipolar, os transistores NPN e PNP são fabricados em processos separados. Consequentemente, amplificadores convencionais de Classe B ou Classe AB com estágios de potência complementares apresentam não linearidades que são indesejáveis, caso os transistores não tenham sido cuidadosamente selecionados e combinados.

[0034] Esse problema é evitado com o estágio de amplificador da invenção, no qual as alas de amplificador complementares operam com transistores idênticos, de maneira preferida, com transistores NPN e circuitos idênticos, nas quais os transistores de potência são incorporados. Afirma-se no documento Tietze/Schenk que as tolerâncias de fabricação em uma etapa do processo influenciam todos os transistores NPN do mesmo modo. Consequentemente e de maneira preferida, selecionam-se transistores NPN com o mesmo ciclo de fabricação, o que é uma tarefa administrativa simples. Além disso, os elementos adicionais do estágio de potência, de maneira particular, os resistores emissores, podem ser facilmente selecionados para que uma total simetria possa ser obtida e distorções possam ser evitadas.

[0035] Os transistores de potência, na modalidade de um transistor ou MOSFET convencional, são preferidamente implantados como um seguidor de tensão ou uma fonte de corrente com tensão de entrada variável. O coletor de cada transistor de potência está conectado à carga, ou seja, ao respectivo primeiro ou segundo enrolamento do transformador de acoplamento conectado a uma tensão de suprimento. Os dois transistores de potência atuam para que a tensão ao longo dos resistores emissores, os quais atuam como resistores detectores de corrente, siga a tensão de entrada. Consequentemente, a corrente ao longo do respectivo primeiro ou segundo enrolamento segue o sinal de entrada. Se a tensão de entrada variar, esse arranjo irá atuar como um conversor de tensão em corrente, ou seja, fonte de corrente controlada por tensão (VCCS).

[0036] Em uma modalidade preferida, a tomada central dos enrolamentos primários do transformador de acoplamento, isto é, as primeiras extremidades dos primeiro e segundo enrolamentos do transformador de acoplamento está conectada a uma primeira tensão de suprimento e os resistores emissores estão conectados a uma segunda tensão de suprimento com potencial de tensão oposto. Consequentemente, a diferença de tensão entre as primeira e segunda tensões de suprimento pode ser aplicada individualmente a cada ala de amplificação. No caso em que o suprimento de potência distribui +15 V e -15 V ao amplificador de potência, 30 V podem ser aplicados a cada ala de amplificação para a amplificação de uma meia onda, enquanto em um amplificador convencional de Classe A, Classe B ou Classe AB, essas tensões seriam usadas para a amplificação das duas meias ondas. Consequentemente, o aparelho de detecção de metal da invenção opera com eficiência dobrada.

[0037] O uso inventivo de fontes de corrente controlada por tensão com eficiência dobrada permite a condução de correntes coletoras até o transformador de acoplamento através de cabos por distâncias mais longas sem prejuízos. Mudanças de carga devido ao uso de um cabo de conexão não mudarão a corrente, visto que a corrente segue o sinal de entrada e não a carga. Consequentemente, o estágio do transmissor da invenção permite uma configuração modular do sistema de detecção de metal. Um primeiro alojamento pode ser provido para o estágio do transmissor, o qual pode ser conectado através de cabos a uma ou mais cabeças detectoras, as quais incluem um transformador de acoplamento.

[0038] Além disso, o circuito eletrônico com o transistor de potência embutido usa uma polarização que permite a amplificação de altos sinais de entrada.

[0039] Além disso, os sinais nos coletores dos primeiro e Segundo transistores de potência que são encaminhados para as primeira e segunda tomadas selecionadas podem ser usados de maneira vantajosa como sinais de referência de alta precisão na unidade de processamento de sinal. Um enrolamento adicional sobre o transformador de acoplamento é, desse modo, evitado.

[0040] Os transistores de potência são acionados por unidades de amplificação, de maneira preferida, por amplificadores operacionais. Uma mudança de fase de 180° em uma das alas do amplificador pode ser de maneira vantajosa obtida aplicando-se o sinal de entrada da primeira ala de amplificação a uma entrada de inversão do amplificador operacional e da segunda ala de amplificação a uma entrada de não inversão do amplificador operacional.

[0041] Em uma modalidade preferida, os primeiro e Segundo enrolamentos são enrolamentos primários do transformador de acoplamento e o terceiro enrolamento é um enrolamento secundário do transformador de acoplamento. O terceiro enrolamento do transformador de acoplamento compreende, de maneira preferida, uma pluralidade de tomadas. Uma primeira extremidade da bobina de transmissão está conectada a uma dessas tomadas e a segunda extremidade da bobina de transmissão é seletivamente conectável através de um terceiro comutador a uma das outras tomadas. Com esse arranjo do transformador de acoplamento, o qual possui dois enrolamentos primários conectados ao estágio do amplificador e um enrolamento secundário conectado à bobina de transmissão, a bobina de transmissão pode ser adaptada em uma faixa mais ampla ao estágio do amplificador. A proporção de indutância dos primeiro e segundo enrolamentos do transformador e da indutância da bobina de transmissão é selecionável, por exemplo, na faixa de 50:1 até 2000:1.

[0042] Além disso, em conjunto com o ajuste dos capacitores, a bobina de transmissão forma um circuito ressonante que pode ser ajustado de maneira adequada. A primeira extremidade da bobina de transmissão é seletivamente conectável através de um terceiro comutador a um lado de um dos capacitores de ajuste e a segunda extremidade da bobina de transmissão está conectada diretamente ou através de uma pluralidade de espiras do terceiro enrolamento ao outro lado dos capacitores de ajuste. Conectando-se pelo menos um dos capacitores de ajuste através de uma variedade de espiras do terceiro enrolamento do transformador de acoplamento à bobina de transmissão, o circuito ressonante resultante pode ser ajustado a frequências muito mais baixas. Consequentemente, o aparelho de detecção de metal pode operar com uma faixa mais ampla de frequências operacionais.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0043] Alguns dos objetivos e vantagens da presente invenção foram apresentados aqui, outros surgirão quando a descrição a seguir for considerada em conjunto com os desenhos em anexo, nos quais:

[0044] Figura 1 mostra um diagrama em bloco do aparelho de detecção de metal apresentado no documento US8841903B2; e

[0045] Figura 2 mostra um diagrama em bloco do aparelho de detecção de metal da invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS MODALIDADES PREFERIDAS

[0046] A Figura 1 mostra um diagrama em bloco do aparelho de detecção de metal apresentado no US8841903B2, o qual foi descrito acima. A presente invenção é um aprimoramento desse aparelho, mas também pode ser aplicada sem limitação a outros sistemas.

[0047] A Figura 2 mostra um diagrama em bloco de uma modalidade preferida do aparelho de detecção de metal da invenção, o qual compreende uma unidade de transmissão 1, um sistema de bobinas balanceado com uma bobina de transmissão 21, uma primeira bobina de recepção e uma segunda bobina de recepção 31, 32, uma unidade de processamento de sinal 4 com uma unidade de recepção 41 e um processador de sinal 42, e uma unidade de controle 5 que compreende interfaces-padrão, dispositivos de entrada e dispositivos de saída, de maneira preferida, um teclado e um monitor. A Figura 2 também mostra simbolicamente uma esteira 8, sobre a qual produtos P, os quais podem compreender contaminantes C, são transferidos através da bobina de transmissão 21 e das bobinas de recepção 31, 32.

[0048] A unidade de transmissão 1 compreende um gerador de frequência 11 que provê um sinal de entrada sIN com uma frequência operacional selecionável fTX para alas de amplificação superior e inferior 12A, 12B providas no estágio do amplificador 12. Cada ala de amplificação 12A, 12B compreende um pré-amplificador da modalidade de um primeiro ou um segundo amplificador operacional OA, OA’ respectivamente, o qual amplifica a meia onda do sinal de entrada sIN que é aplicada através do resistor R1 à entrada de inversão do primeiro amplificador operacional OA e através do resistor R2’ à entrada de não inversão do segundo amplificador operacional OA’. A entrada de não inversão do primeiro amplificador operacional OA e a entrada de inversão do segundo amplificador operacional OA’ são conectadas através do resistor R2 e do resistor R1’ uma à outra e a um potencial de tensão correspondente à metade de uma primeira tensão de suprimento -Ub. As saídas dos primeiro e segundo amplificadores operacionais OA, OA’ são conectadas através dos resistores R3, R3’ à sua entrada de inversão e através dos resistores R4, R4’ à base de um respectivo primeiro ou segundo transistor de potência T, T’.

[0049] Visto que o sinal de entrada sIN é aplicado à entrada de inversão do primeiro amplificador operacional OA, a meia onda positiva do sinal de entrada sIN é invertida e em seguida, amplificada na primeira ala de amplificação 12A. Ou seja, tanto o primeiro quanto o segundo amplificador operacional OA e OA’ distribuem meias ondas negativas para a base do respectivo primeiro ou segundo transistor de potência T, T’, o qual está conectado através dos resistores R5, R5’ ao potencial zero 0V e através dos resistores R6, R6’ ao seu emissor, o qual está conectado através do resistor R7 ou R7’, respectivamente, à primeira tensão de suprimento -Ub. O coletor do primeiro transistor de potência T está conectado através de um primeiro comutador 14A a uma tomada de uma pluralidade de tomadas 141, 142, 143, 144 do primeiro enrolamento 13A do transformador de acoplamento 13. O coletor do segundo transistor de potência T’ está conectado através de um segundo comutador 14B a uma tomada de uma pluralidade de tomadas 141’, 142’, 143’, 144’ do segundo enrolamento 13B do transformador de acoplamento 13. Os primeiro e segundo enrolamentos 13A, 13B, os quais foram projetados de maneira idêntica, porém, enrolados inversamente, estão conectados um ao outro por uma primeira extremidade em uma mesma tomada 140 e a uma segunda tensão de suprimento +Ub. As tomadas 141, 142, 143, 144 e 141’, 142’, 143’, 144’ estão localizadas no mesmo número de espiras contado a partir da dita mesma tomada 140. Os primeiro e segundo comutadores ou bancos de comutadores 14A, 14B são controlados para que as tomadas que são selecionadas 141, 141’; 142, 142’; 143, 143’; 144, 144’ sempre se correspondam e para que cargas idênticas sejam aplicadas aos transistores de potência T, T’ e a simetria seja mantida. Com as configurações de corrente dos comutadores 14A e 14B, os enrolamentos de bobina entre a tomada 140 e 144 formam a carga para o primeiro transistor de potência T e os enrolamentos de bobina entre a tomada 140 e 144’ formam a carga para o segundo transistor de potência T’, enrolamentos esses que estão conectados à segunda tensão de suprimento +Ub.

[0050] Consequentemente, nesta modalidade preferida, os estágios de potência com os transistores de potência T, T’ nas alas do amplificador 12A, 12B são completamente idênticos. Os transistores de potência NPN idênticos e os resistores emissores de alta precisão R7, R7’ podem ser selecionados a partir da mesma série de produção. Consequentemente, uma perfeita simetria nas alas do amplificador 12A, 12B é obtida e mantida com cada configuração dos comutadores 14A, 14B.

[0051] Visto que a segunda tensão de suprimento +Ub é aplicada através da carga dos enrolamentos conectados por tomada 13A ou 13B ao coletor e a primeira tensão de suprimento -Ub é aplicada através dos resistores emissores R7 ou R7’ ao emissor do primeiro ou segundo transistor de potência T, T’, a diferença de tensão entre as primeira e segunda tensões de suprimento +Ub e -Ub é aplicada a cada ala de amplificação 12A, 12B. O estágio do amplificador 12 pode, portanto, operar com metade da tensão de suprimento de um amplificador convencional de potência de Classe AB ou pode prover o dobro de tensão de saída com as mesmas tensões de suprimento.

[0052] Os transistores de potência T, T’ são configurados para que as tensões ao longo do resistor emissor R7, R7’, as quais atuam como resistores detectores de corrente, sigam a tensão de entrada. Consequentemente, a corrente ao longo do respectivo primeiro ou segundo enrolamento 13A, 13B do transformador de acoplamento 13 segue o sinal de entrada. Se a tensão de entrada variar, esse arranjo atuará como uma fonte de corrente controlada por tensão (VCCS).

[0053] Visto que a corrente é mantida de modo praticamente independente em relação à carga e, portanto, ao comprimento da linha de conexão entre o coletor dos transistores de potência T, T’ e o transformador de acoplamento 13, o estágio do amplificador 12 e o transformador de acoplamento 13 podem ser dispostos em diferentes alojamentos e podem ser conectados por um cabo de transmissão TC que possui um comprimento, por exemplo, de poucos metros, o que permite a disposição dos módulos do aparelho de detecção de metal em diferentes locais, conforme requerido pelo processo de produção.

[0054] A figura 2 também mostra que os sinais de referência R, R’ são coletados a partir dos coletores dos transistores de potência T, T’ e roteados para as entradas de referência da unidade de processamento de sinal 4, de maneira particular, para o processador de sinal 42. Com os detectores de fase implantados na unidade de processamento de sinal 4 ou no processador de sinal 42, os sinais de resposta podem ser demodulados para detectar sinais individualmente referentes a contaminantes ou produtos. Os enrolamentos secundários no transformador de acoplamento 13, conforme usado no sistema da figura 1, são evitados.

[0055] Nesta modalidade preferida da invenção, os primeiro e segundo enrolamentos 13A, 13B são enrolamentos primários do transformador de acoplamento 13 e o terceiro enrolamento 13C é um enrolamento secundário do transformador de acoplamento 13.

[0056] O terceiro enrolamento 13C do transformador de acoplamento 13 compreende uma pluralidade de tomadas 150, 151, 152, 153, 154. A primeira extremidade da bobina de transmissão 21 está fixamente conectada à tomada 150, na qual a segunda extremidade da bobina de transmissão 21 é seletivamente conectável através de um terceiro comutador 15 a uma das outras tomadas 151, 152, 153, 154 do terceiro enrolamento 13C do transformador de acoplamento 13. Usando-se enrolamentos primários 13A, 13B e um enrolamento secundário 13C, a proporção de indutância dos primeiro e segundo enrolamentos 13A, 13B, 13C do transformador 13 e a indutância refletida da bobina de transmissão 21 são precisamente selecionáveis em uma faixa mais ampla de combinações de tomadas em comparação com o sistema da figura 1, de modo a prover uma combinação de impedâncias ideal entre o amplificador e a bobina de transmissão 21.

[0057] Na modalidade mostrada na figura 2, a primeira extremidade da bobina de transmissão 21 é conectável através de um quarto comutador 23 a um dos três capacitores de ajuste 221, 222, 223, os quais são diretamente conectados ou através de uma parte, por exemplo, uma pluralidade de espiras, do terceiro enrolamento 13C do transformador de acoplamento 13 e do terceiro comutador 15 à segunda extremidade da bobina de transmissão 21.

[0058] Consequentemente, a bobina de transmissão 21 e os capacitores de ajuste conectados 221, 222, 223 formam um circuito ressonante que pode ser ajustado de maneira adequada. Conectando- se pelo menos um dos capacitores de ajuste 223 através de uma variedade de espiras do terceiro enrolamento 13C do transformador de acoplamento 13 à bobina de transmissão, 21 o circuito ressonante resultante pode ser ajustado a frequências mais baixas para que o circuito ressonante possa ressoar como frequências na faixa de 25 kHz a 850 kHz.

[0059] A unidade de controle 5, por exemplo, um processador ou um computador pessoal, se comunica com a unidade de processamento de sinal 4 através de um sistema de barramentos 60. Consequentemente, a unidade de controle 5 pode prover parâmetros operacionais para a unidade de processamento de sinal 4, de maneira particular, para o processador de sinal 42, e coletar os dados de medição coletados na unidade de processamento de sinal 4, os quais também podem ser integrados à unidade de controle 5. Além disso, a unidade de controle 5 provê sinais de controle através de linhas de controle ou barramentos de controle 51, 52A, 52B, 53 e 54 ao gerador de frequência 11 para selecionar uma frequência operacional para os primeiro e segundo comutadores ou banco de comutadores 14A, 14B para conectar seletivamente o estágio do amplificador 12 aos enrolamentos primários 13A, 13B do transformador 13, ao terceiro comutador ou banco de comutadores 15, para conectar seletivamente a bobina de transmissão 21 ao enrolamento secundário 13C do transformador 13 e ao quarto comutador ou banco de comutadores 23 e para conectar seletivamente uma ou mais dos capacitores de ajuste 221, 222, 223 à bobina de transmissão 21.

Claims (14)

1. Aparelho de detecção de metal com uma unidade de transmissão (1) compreendendo um gerador de frequência (11), que provê um sinal de entrada (sIN) com uma frequência operacional selecionável (fTX) para a entrada de um estágio de amplificador (12), cuja saída está conectada através de um transformador de acoplamento (13) a uma bobina de transmissão (21) que está acoplada a uma primeira bobina de recepção e uma segunda bobina de recepção (3; 31, 32), as quais estão conectadas a uma unidade de processamento de sinal (4) que compreende uma unidade de recepção (41) conectada a um processador de sinal (42), caracterizado pelo fato de que o transformador de acoplamento (13) compreende um primeiro enrolamento (13A) e um segundo enrolamento (13B) que são conectados à saída do estágio de amplificador (12) e um terceiro enrolamento (13C) que é conectado à bobina de transmissão (21),os ditos primeiro e segundo enrolamentos (13A, 13B) estando conectados com uma primeira extremidade a uma primeira tensão de suprimento (+Ub) e tendo cada um pelo menos uma tomada (141, 142, 143, 144; 141’, 142’, 143’, 144’) em um mesmo número de espiras contado a partir da dita primeira extremidade;o dito estágio de amplificador (12) compreendendo uma primeira ala de amplificação (12A) com um primeiro transistor de potência (T) conectado à pelo menos uma tomada (141, 142, 143, 144) do primeiro enrolamento (13A) e uma segunda ala de amplificação (12B) com um segundo transistor de potência (T’) conectado à pelo menos uma tomada (141’, 142’, 143’, 144’) do segundo enrolamento (13B), em que a primeira ala de amplificação (12A) amplifica a primeira meia onda e a segunda ala de amplificação (12B) amplifica a segunda meia onda do sinal de entrada (sIN).

2. Aparelho de detecção de metal, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os primeiro e segundo enrolamentos (13A, 13B) compreendem números idênticos de espiras com as respectivas primeira e segunda tomadas (141, 141’; 142, 142’; 143, 143’; 144, 144’) conectadas a um número idêntico de espiras dos primeiro e segundo enrolamentos (13A, 13B) e em que os primeiro e segundo transistores de potência (T, T’) são conectáveis através de um primeiro ou segundo comutador relacionado (14A, 14B) à respectiva primeira ou segunda tomada (141, 141’; 142, 142’; 143, 143’; 144, 144’).

3. Aparelho de detecção de metal, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que os coletores dos primeiro e segundo transistores de potência (T, T’) são conectáveis através dos primeiro e segundo comutadores (14A, 14B) à respectiva primeira ou segunda tomada (141, 141’; 142, 142’; 143, 143’; 144, 144’) e no qual a primeira extremidade do primeiro enrolamento (13A) e a primeira extremidade do segundo enrolamento (13B) estão conectadas à primeira tensão de suprimento (+Ub) e o primeiro enrolamento (13A) e o segundo enrolamento (13B) possuem um sentido inverso de enrolamento.

4. Aparelho de detecção de metal, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que o estágio de amplificador (12) está disposto em um primeiro alojamento e o transformador de acoplamento (13) está disposto em um segundo alojamento e no qual os coletores dos primeiro e segundo transistores de potência (T, T’) e dos primeiro e segundo comutadores (14A, 14B) estão respectivamente conectados através de um cabo de transmissão (TC).

5. Aparelho de detecção de metal, de acordo com a reivindicação 3 ou 4, caracterizado pelo fato de que o coletor do primeiro transistor de potência (T) está conectado através do primeiro enrolamento (13A) à primeira tensão de suprimento (+Ub) e no qual o emissor do primeiro transistor de potência (T) está conectado através de um primeiro resistor emissor (R7) a uma segunda tensão de suprimento (-Ub) e no qual o coletor do segundo transistor de potência (T’) está conectado através do segundo enrolamento (13B) à primeira tensão de suprimento (+Ub) e no qual o emissor do segundo transistor de potência (T’) está conectado através de um segundo resistor emissor (R7’) à segunda tensão de suprimento (-Ub) e no qual as bases dos primeiro e segundo transistores de potência são providas com redes de resistores correspondentes (R5, R6, R7; R5’, R6’, R7’) com tensões de polarização idênticas.

6. Aparelho de detecção de metal, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a primeira ala de amplificação (12A) compreende um primeiro amplificador operacional (OA) com uma entrada de inversão e não inversão e uma saída conectada à base do primeiro transistor de potência (T) e no qual a segunda ala de amplificação (12B) compreende um segundo amplificador operacional (OA’) com uma entrada de inversão e não inversão e uma saída conectada à base do segundo transistor de potência (T’) e no qual a entrada de não inversão do primeiro amplificador operacional (OA) e a entrada de inversão do segundo amplificador operacional (OA’) estão conectadas uma na outra e no qual o sinal de entrada (sIN) é aplicado à entrada de inversão do primeiro amplificador operacional (OA) e à entrada de não inversão do segundo amplificador operacional (OA’) de modo que o sinal de entrada (sIN) seja invertido no primeiro amplificador operacional (OA).

7. Aparelho de detecção de metal, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que a entrada de não inversão do primeiro amplificador operacional (OA) está conectada através de um primeiro resistor (R2) e a entrada de inversão do segundo amplificador operacional (OA’) está conectada através de um segundo resistor (R1’) a um potencial de tensão que corresponde à metade da segunda tensão de suprimento (-Ub).

8. Aparelho de detecção de metal, de acordo com qualquer uma das reivindicações 3 a 7, caracterizado pelo fato de que os coletores dos primeiro e segundo transistores de potência (T, T’) ou as primeira e segunda tomadas selecionadas (141, 141’; 142, 142’; 143, 143’; 144, 144’) estão conectados às entradas de referência da unidade de processamento de sinal (4).

9. Aparelho de detecção de metal, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que os primeiro e segundo enrolamentos (13A, 13B) são enrolamentosprimários do transformador de acoplamento (13) e no qual o terceiro enrolamento (13C) é um enrolamento secundário do transformador de acoplamento (13).

10. Aparelho de detecção de metal, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de que o terceiro enrolamento (13C) do transformador de acoplamento (13) compreende uma pluralidade de tomadas (150, 151, 152, 153, 154) e no qual a primeira extremidade da bobina de transmissão (21) está conectada a uma das tomadas (150) do terceiro enrolamento (13C) e no qual a segunda extremidade da bobina de transmissão (21) é seletivamente conectável através de um terceiro comutador (15) a uma das outras tomadas (151, 152, 153, 154) do terceiro enrolamento (13C).

11. Aparelho de detecção de metal, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado pelo fato de que um ou mais capacitores de ajuste (221, 222, 223) são providos e no qual a primeira extremidade da bobina de transmissão (21) é seletivamente conectável através de um terceiro comutador a um lado de um dos capacitores de ajuste (221, 222, 223) e no qual a segunda extremidade da bobina de transmissão (21) está conectada diretamente ou através de uma parte do terceiro enrolamento (13C) ao outro lado dos capacitores de ajuste (221, 222, 223).

12. Aparelho de detecção de metal, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado pelo fato de que o gerador de frequência (11) permite a seleção de duas ou mais frequências operacionais (fTX), de maneira preferida, na faixa de 25 kHz a 850 kHz.

13. Aparelho de detecção de metal, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizado pelo fato de que a proporção de indutância refletida dos primeiro e segundo enrolamentos (13A, 13B) do transformador de acoplamento (13) é selecionável com pelo menos 50 combinações de espiras na menor frequência operacional para prover uma combinação de impedância ótima entre o estágio de amplificador (12) e a bobina de transmissão (21).

14. Aparelho de detecção de metal, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 13, caracterizado pelo fato de que o primeiro e segundo transistores de potência (T, T’) são transistores NPN.

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