BR102020005886A2

BR102020005886A2 - Método de funcionamento de um detector de metal e detector de metal

Info

Publication number: BR102020005886A2
Application number: BR102020005886-0A
Authority: BR
Inventors: Peter Howard
Original assignee: Mettler-Toledo Safeline Limited
Priority date: 2019-04-17
Filing date: 2020-03-24
Publication date: 2020-11-03
Also published as: US20200333497A1; CA3078069A1; JP2020190548A; CN111830573A; EP3726255A1; JP7469939B2; US11598897B2

Abstract

método de funcionamento de um detector de metal e detector de metal. a invenção refere-se a método de funcionamento de um detector de metal (1) que compreende um sistema de bobinas equilibradas (6) com duas bobinas de detecção (l62, l63) conectadas a uma unidade receptora (11) e acopladas a uma bobina de acionamento (l61), que, em conjunto com um capacitor (c1, c2), forma um circuito ressonante em série que é conectado a uma unidade transmissora (10), que compreende um conversor (4) com uma primeira chave de acionamento (s41) e uma segunda chave de acionamento (s42) que formam um circuito em meia-ponte e que são acionadas por um controlador de acionamento (2) compreende as etapas de: prover o primeiro potencial de tensão (vd) e o segundo potencial de tensão (vs) com diferentes magnitudes com relação à terra; prover o primeiro sinal de onda quadrada (d1) com um primeiro fator de serviço variável e o segundo sinal de onda quadrada (d2) com um segundo fator de serviço variável que o primeiro sinal de onda quadrada (d1) e o segundo sinal de onda quadrada (d2) nunca fiquem ativos ao mesmo tempo; e ajustar o primeiro fator de serviço e o segundo fator de serviço para ajustar a corrente de bobina (il61) na bobina de acionamento (l61) a um valor adequado para o funcionamento do detector de metal e para a medição de contaminantes.

Description

MÉTODO DE FUNCIONAMENTO DE UM DETECTOR DE METAL E DETECTOR DE METAL

[0001] A presente invenção refere-se a um método de funcionamento de um detector de metal que usa uma ou mais frequências operacionais e também a um detector de metal que opera de acordo com esse método.

[0002] Um sistema de detecção de metal industrial tal como descrito, por exemplo, na Patente dos Estados Unidos N° 8587301B2, é usado na detecção de uma contaminação metálica em um produto. Quando adequadamente instalado e operado, esse sistema ajudará a reduzir a contaminação metálica e aperfeiçoará a segurança de um alimento. Os detectores de metal mais modernos utilizam um cabeçote de pesquisa compreendendo um "sistema de bobinas equilibradas". Os detectores deste tipo são capazes de detectar todos os tipos de contami-nantes metálicos, inclusive os metais ferrosos, não ferrosos e os aços inoxidáveis, em uma grande variedade de produtos, tal como nos produtos frescos ou congelados.

[0003] Um detector de metal que opera de acordo com o princípio de “bobinas equilibradas” tipicamente compreende três bobinas, uma bobina de acionamento e duas bobinas de detecção idênticas que são enroladas sobre uma estrutura não metálica, tipicamente cada uma das mesmas paralelas umas às outras. Uma vez que as bobinas de detecção, que tipicamente encerram a bobina de acionamento centralizada no meio, são idênticas, uma tensão idêntica é induzida em cada uma das mesmas. A fim de receber um sinal de saída zero quando o sistema se encontra em equilíbrio, a primeira bobina de detecção é conectada em série à segunda bobina de detecção que tem uma direção contrária de enrolamento. Nesse caso, as tensões induzidas nas bobinas de detecção, que são de uma amplitude idêntica e polarização reversa, são canceladas uma com relação à outra quando o sistema se encontra em equilíbrio e nenhum contaminante se encontra presente em um produto observado.

[0004] No entanto, assim que uma partícula de metal passa pelo conjunto de bobinas, o campo eletromagnético é interrompido, primeiramente, próximo a uma bobina de detecção e, em seguida, próximo à outra bobina de detecção. Enquanto a partícula de metal é transportada através das bobinas de detecção, a tensão induzida em cada bobina de detecção é alterada (tipicamente em nano volts). Essa alteração de equilíbrio resulta em um sinal na saída das bobinas de detecção que, em uma unidade receptora, é processado, amplificado e, em seguida, usado no sentido de detectar a presença do contaminante metálico no produto observado.

[0005] Na unidade receptora, um sinal de entrada é normalmente dividido em um componente em fase e em um componente em quadratura. O vetor composto desses componentes tem uma magnitude e um ângulo de fase que é típico para os produtos e para os contaminantes que são transportados através do sistema de bobinas. A fim de identificar um contaminante metálico, os "efeitos de produto" precisam ser removidos ou reduzidos. Quando a fase do produto é conhecida, nesse caso, o correspondente vetor de sinal poderá ser reduzido de modo a resultar em uma sensibilidade maior para a detecção de sinais que se originam de contaminantes metálicos.

[0006] Os métodos aplicados para a eliminação de sinais não desejados a partir de um espectro de sinais exploram o fato de que os contaminantes metálicos, produtos e outras interferências têm diferentes influências sobre o campo magnético de modo que os sinais detectados apresentam uma diferença de fase. Os materiais com uma alta conduti-vidade provocam sinais com um componente de sinal reativo negativo mais alto e com um componente de sinal resistivo menor. Os materiais com uma alta permeabilidade magnética provocam sinais com um componente de sinal resistivo menor e com um componente de sinal reativo positivo maior. Os sinais causados porferrita são basicamente reativos, enquanto que os sinais causados por aço inoxidável são basicamente resistivos. Os produtos que são condutivos tipicamente causam sinais com um forte componente reativo negativo. O ângulo de fase dos vetores de sinal entre o componente de sinal resistivo e o componente de sinal reativo normalmente permanece constante quando um produto ou contaminante é transportado através do detector de metal.

[0007] A Patente dos Estados Unidos N° 20150234075A1 apresenta um detector de metal tendo um circuito de condução para o estabelecimento de um campo magnético alternado em um sistema de bobinas de modo a gerar um sinal de saída em uma determinada frequência. O circuito de condução compreende uma unidade de processamento central, um dispositivo lógico programável eletrônico (EPLD) e um condutor conectado a quatro transistores de efeito de campo que formam um circuito em ponte de onda completa através de uma diferença de potencial escolhida, com a bobina de acionamento conectada através da saída do circuito em ponte. A diferença de potencial de, por exemplo, 24 volts, estabelece uma corrente de acionamento através da bobina de acionamento. A Patente dos Estados Unidos N° 20150234075A1 descreve ainda uma ponte de meia onda com apenas dois transistores FET. Com a bobina de acionamento conectada através de ambas as extremidades, a comutação é feita de tal modo que a corrente de acionamento possa fluir através de um transistor FET através da bobina de acionamento em um meio ciclo e através do outro transistor FET no outro meio ciclo.

[0008] Os detectores de metal podem compreender sistemas de bobinas que operam em uma banda larga de frequências. De maneira alternativa, poderão ser usados sistemas de bobinas que são sintonizados para uma frequência operacional específica. A amplitude da corrente alternada do sistema de bobinas é controlada por meio da seleção da capacitância e da frequência operacional em conformidade. A indu-tância só poderá ser alterada em grandes proporções devido à limitação mecânica ao se adicionar ou ao se subtrair as voltas únicas da bobina de acionamento. Os capacitores são relativamente caros, difíceis de encaixar e se encontram disponíveis apenas em tamanhos definidos pelo fabricante. A frequência de transmissão só poderá ser ajustada com relação à frequência ressonante, porém requer um movimento significativo no sentido de se produzir uma requerida alteração de corrente. Os procedimentos no sentido de se otimizar um sistema de bobinas sintonizadas com seus componentes a fim de se obter uma frequência operacional e uma corrente de bobina que fiquem dentro de faixas desejadas são, por conseguinte, complicados.

[0009] A presente invenção, nesse sentido, se baseia no objetivo de se prover um método de funcionamento aperfeiçoado de um detector de metal e um detector de metal aperfeiçoado que opera de acordo com esse método.

[0010] O método da presente invenção possibilitará a sintonização de um detector de metal em desejadas frequências operacionais e o ajuste de correntes máximas de bobina adequadas a cada uma dessas frequências com pequeno esforço.

[0011] Em particular, será possível sintonizar o detector de metal em desejadas frequências operacionais e ajustar correntes de bobina adequadas sem a necessidade de componentes fora de padrão. Os detectores de metal da presente invenção poderão, portanto, ser produzidos a um custo reduzido, mas com um ótimo desempenho.

[0012] O método e o detector de metal da presente invenção possibilitam a geração de altas correntes de bobina na bobina de acionamento a fim de prover o detector de metal com uma alta sensibilidade, enquanto que as correntes na unidade transmissora permanecem comparativamente baixas de maneira que o circuito de transmissão possa ser dimensionado em conformidade, por exemplo, com um reduzido desempenho e custo de energia.

[0013] Em adição, será possível operar o detector de metal em um modo sintonizado dedicado em frequências específicas, em função do que cada uma das correntes de bobina poderá ser facilmente ajustada em um modo não sintonizado, no qual frequências operacionais poderão ser livremente selecionadas sem sintonizar o sistema de bobinas.

[0014] Uma conversão entre diferentes modos de funcionamento poderá ser facilmente feita sem a necessidade de outros componentes.

[0015] De acordo com um primeiro amplo aspecto da presente invenção, é provido um método de funcionamento de um detector de metal que compreende um sistema de bobinas equilibradas com duas bobinas de detecção conectadas a uma unidade receptora e indutivamente acopladas a uma bobina de acionamento, que, em conjunto com pelo menos um capacitor forma um circuito ressonante em série que é conectado a uma unidade transmissora, que compreende um conversor com uma primeira chave de acionamento e uma segunda chave de acionamento que formam um circuito em meia ponte e que são acionadas por um controlador de acionamento,

- de acordo com um primeiro sinal de onda quadrada que é ajustado a uma frequência operacional fixa ou selecionável e é aplicado à primeira chave de acionamento, a qual é conectada, por um lado, a um primeiro potencial de tensão e, por outro lado, a uma derivação central do circuito em meia ponte, e
- de acordo com um segundo sinal de onda quadrada que é ajustado à frequência operacional fixa ou selecionável e é aplicado à segunda chave de acionamento, a qual é conectada, por um lado, a um segundo potencial de tensão e, por outro lado, à derivação central do circuito em meia ponte, através do qual uma corrente de acionamento é suprida para a bobina de acionamento.

[0016] O método da presente invenção compreende as etapas de:

- prover o primeiro potencial de tensão e o segundo potencial de tensão com diferentes magnitudes com relação à terra;
- prover o primeiro sinal de onda quadrada com um primeiro fator de serviço variável e o segundo sinal de onda quadrada com um segundo fator de serviço variável de tal maneira que o primeiro sinal de onda quadrada e o segundo sinal de onda quadrada nunca fiquem ativos ao mesmo tempo; e
- ajustar o primeiro fator de serviço e o segundo fator de serviço no sentido de ajustar a corrente de bobina na bobina de acionamento a um valor adequado para o funcionamento do detector de metal e para a medição de contaminantes.

[0017] De acordo com uma modalidade preferida, o primeiro potencial de tensão ou o segundo potencial de tensão é ajustado à terra ou ao potencial da terra, respectivamente. A provisão de apenas uma tensão de alimentação no conversor é, portanto, suficiente para a geração de uma corrente de bobina na bobina de acionamento, a qual é ajustável a um valor adequado por meio da seleção de valores correspondentes para o primeiro fator de serviço e para o segundo fator de serviço.

[0018] Quando a derivação central do circuito em meia ponte é conectada por uma das chaves de acionamento a um potencial de tensão diferente do potencial da terra, nesse caso, a corrente de acionamento será conduzida através do circuito ressonante em série de preferência à terra.

[0019] De acordo com o método da presente invenção, o primeiro potencial de tensão e o segundo potencial de tensão são aplicados ao circuito ressonante em série para durações individuais determinadas pelo primeiro fator de serviço e pelo segundo fator de serviço. A corrente de bobina na bobina de acionamento pode ser aumentada ao se aumentar o fator ou a duração de serviço no qual, dentro de cada período do sinal operacional, o potencial de tensão com a maior magnitude será aplicado à bobina de acionamento e ao se diminuir o fator ou duração de serviço no qual, dentro de cada período do sinal operacional, o potencial de tensão com a menor magnitude ou com o potencial da terra será aplicado à bobina de acionamento.

[0020] Um primeiro e um segundo fatores de serviço adequados, que poderão ser aplicados ao conversor, podem ser calculados ou programados no controlador de acionamento. A provisão de diferentes potenciais de tensão no conversor, com as quais a corrente de bobina poderá também ser influenciada, exigirá esforços consideravelmente maiores e deverá ser, vantajosamente, evitada.

[0021] O primeiro sinal de onda quadrada e o segundo sinal de onda quadrada são de preferência gerados com formas de onda que se complementam uma à outra pelo menos aproximadamente de modo que a soma do primeiro fator de serviço corrente e do segundo fator de serviço corrente fique aproximadamente igual a “1”. Uma extremidade ou terminal do circuito ressonante em série será, por conseguinte, de preferência sempre conectada ao primeiro ou ao segundo potencial de tensão, enquanto que a outra extremidade ou terminal do circuito ressonante em série será sempre conectada a um potencial fixo, de preferência, conectada ao potencial da terra.

[0022] Um fator de serviço é a fração de um período do sinal operacional, no qual o sinal fica ativo. O sinal ativo pode também ser definido como um pulso com a correspondente duração ou fração de um período do sinal operacional. O fator de serviço para um sinal periódico, por conseguinte, expressa a razão entre uma duração ativa e uma duração inativa em uma escala de 1 ao invés de 100 %, tal como usado com relação ao termo “ciclo de serviço”.

[0023] Em um correspondente tempo ativo de um período do sinal operacional, uma extremidade do circuito ressonante em série é ajustada à terra por meio do fechamento da correspondente chave de acionamento. Quando a outra extremidade do circuito ressonante em série é fixamente ajustada à terra, nesse caso o circuito ressonante em série é ajustado dentro deste tempo ativo com ambas as extremidades à terra e, por conseguinte, formará um circuito fechado. Dentro deste tempo ativo, nenhuma energia é induzida para o circuito fechado ou para o circuito ressonante em série, embora a energia seja perdida devido às perdas térmicas e à indução de energia nas bobinas de detecção. Ao se aumentar esse tempo ativo ou seu relacionado fator de serviço, a corrente de bobina na bobina de acionamento poderá ser reduzida. Ao se diminuir esse tempo ativo ou seu relacionado fator de serviço e ao se aumentar o tempo ativo ou o relacionado fator de serviço com o qual o potencial de tensão com uma maior magnitude é aplicado ao circuito ressonante em série, a corrente de bobina poderá ser aumentada em conformidade.

[0024] De preferência, o primeiro fator de serviço e o segundo fator de serviço são ajustados de tal modo que a corrente de bobina na bobina de acionamento seja ajustada a um valor no qual as tensões que ocorrem no circuito ressonante em série permanecem abaixo de um valor máximo predeterminado. Sendo assim, a corrente de bobina é maximizada para um valor no qual a tensão permissível no sistema de bobinas é atingida, porém não excedida. Com essa providência, a sensibilidade do detector de metal é igualmente otimizada.

[0025] De acordo com uma modalidade preferida, a tensão que ocorre no circuito ressonante em série ou no sistema de bobinas é, por conseguinte, medida e comparada com um valor de referência, por exemplo, com a tensão máxima de bobina permissível. Ao se ajustar o primeiro fator de serviço do primeiro sinal de onda quadrada e o segundo fator de serviço do segundo sinal de onda quadrada, a diferença entre a tensão medida e o valor de referência poderá ser mantida em uma diferença mínima. Desta maneira, um circuito de controle fechado poderá, com vantagem, ser formado, o que manterá a corrente máxima de bobina e a tensão máxima do sistema de bobinas constante.

[0026] A fim de reduzir as tensões que ocorrem no circuito ressonante em série ou a fim de aumentar a corrente de bobina enquanto as tensões máximas que ocorrem no circuito ressonante permanecem baixas, pelo menos um primeiro capacitor é disposto em um lado da bobina de acionamento e pelo menos um segundo capacitor é disposto no outro lado da bobina de acionamento. O primeiro capacitor e o segundo capacitor são de preferência idênticos de modo que as tensões que ocorrem no circuito ressonante em série sejam iguais e contrárias em ambos os lados da bobina e mínimas com relação ao potencial da terra. O circuito ressonante em série fica, portanto, equilibrado com relação à terra.

[0027] De acordo com uma modalidade preferida, tanto a capaci-tância ou a indutância como também, por conseguinte, a frequência ressonante do circuito ressonante em série é ajustável. A capacitância pode ser alterada por meio da conexão ou desconexão de um capacitor, e a indutância pode ser alterada por meio da conexão ou desconexão de um enrolamento de bobina na / da bobina de acionamento. De preferência, pelo menos um terceiro capacitor é provido, sendo o mesmo conectável por meio de uma primeira chave ao pelo menos um ou primeiro capacitor e/ou pelo menos um quarto capacitor é provido, sendo o mesmo conectável por meio de uma segunda chave ao segundo capacitor. A primeira chave e/ou a segunda chave são seletivamente abertas ou fechadas no sentido de alterar a frequência ressonante do circuito ressonante em série para um valor desejado, tipicamente próximo à frequência operacional do detector de metal.

[0028] A frequência operacional fixa ou selecionável é de preferência ajustada deslocada da frequência ressonante do circuito ressonante em série de tal maneira que a corrente de bobina na bobina de acionamento seja ajustável dentro de uma faixa de corrente, na qual a corrente de bobina da bobina de acionamento e/ou as tensões que ocorrem no circuito ressonante em série permanecem abaixo de valores máximos predeterminados. De maneira alternativa, a frequência ressonante do circuito ressonante em série é deslocada com relação à frequência operacional da frequência operacional fixa ou selecionada do detector de metal. Com essa providência, as correntes de bobina excessivas são evitadas e as tensões de bobina são mantidas dentro de uma faixa, na qual as mesmas poderão ser controladas por meio de um circuito fechado.

[0029] O detector de metal da presente invenção pode operar com uma frequência operacional ou com uma pluralidade de frequências operacionais para as quais o sistema de bobinas é sintonizado em um modo sintonizado. Os valores de operação para o primeiro fator de serviço e para o segundo fator de serviço, em função dos quais a corrente de bobina da bobina de acionamento poderá ser ajustada a um valor adequado para cada frequência operacional selecionável, são de preferência predeterminados e armazenados ou calculados online. Uma das predeterminadas frequências operacionais poderá, em seguida, ser selecionada juntamente com os valores de operação relacionados para o primeiro fator de serviço e para o segundo fator de serviço, de maneira que, para cada frequência operacional selecionada, apareça a desejada corrente máxima de bobina e/ou a desejada tensão máxima de bobina.

[0030] Ainda em adição, o detector de metal poderá seletivamente ser operado em um modo sintonizado tal como acima descrito, ou em um modo não sintonizado, no qual a bobina de acionamento não faz parte de um circuito ressonante. Em um modo sintonizado, a bobina de acionamento, em conjunto com pelo menos um capacitor, forma um circuito ressonante em série e é conectada ao circuito em meia ponte provido no conversor. Em um modo não sintonizado, a bobina de acionamento não faz parte de um circuito ressonante em série e é conectada a um circuito em ponte completa provido no conversor.

[0031] De acordo com uma modalidade preferida, o circuito em ponte completa é conversível ao circuito em meia ponte e vice-versa. Em um modo sintonizado, somente o primeiro circuito em meia ponte do circuito em ponte completa é comutado, enquanto que o segundo circuito em meia ponte conecta o lado não comutado da bobina à terra. Desta maneira, a conversão poderá ser facilmente realizada sem componentes adicionais. Em um modo não sintonizado, as derivações centrais do primeiro e do segundo circuitos em meia ponte do circuito em ponte completa são de preferência diretamente conectadas às extremidades ou terminais da bobina de acionamento. Em um modo sintonizado, a derivação central do primeiro circuito em meia ponte do circuito em ponte completa é conectada direta ou indiretamente a um dos terminais da bobina de acionamento, enquanto que o outro terminal da bobina de acionamento é de preferência ajustado, direta ou indiretamente, à terra. Desta maneira, o conversor poderá ser facilmente alterado de um funcionamento em um modo sintonizado para um funcionamento em um modo não sintonizado.

[0032] Aspectos e exemplos detalhados da presente invenção serão descritos a seguir, com referência aos desenhos, nos quais

[0033] Figura 1 mostra um detector de metal 1 de acordo com a presente invenção, compreendendo um conversor 4 com duas chaves de acionamento S41, S42 que formam uma meia onda e que são controladas por meio dos sinais de acionamento d1, d2 providos por um controlador de acionamento 2 e que provêem uma corrente de acionamento íd para uma bobina de acionamento L61 de um sistema de bobinas 6 do detector de metal 1, que, em conjunto com os capacitores C1 e C2, e opcionalmente também com os capacitores C3 e C4, forma um circuito ressonante em série;

[0034] Figura 2 mostra exemplos de sinais de acionamento d1, d2 aplicados às chaves de acionamento S41, S42 no conversor 4 da Figura 1; e

[0035] Figura 3 mostra o detector de metal 1 da Figura 1 com um conversor 4 compreendendo um circuito em ponte completa com as chaves de acionamento S41, S42 que formam um primeiro circuito em meia ponte e com as chaves de acionamento S43, S44 que formam um segundo circuito em meia ponte que é ativado em um modo não sintonizado e desativado em um modo sintonizado, sendo que o primeiro circuito em meia ponte é operado tal como descrito com referência à Figura 1.

[0036] A Figura 1 mostra uma modalidade preferida de um detector de metal 1 de acordo com a presente invenção compreendendo uma unidade transmissora 10 e uma unidade receptora 11 e um sistema de bobinas equilibradas 6 para uma bobina de acionamento L61 conectada à saída da unidade transmissora 10 e duas bobinas de detecção L62, L63 conectadas, em uma extremidade, ao potencial da terra e, na outra extremidade, a um estágio de entrada 7 da unidade receptora 11. No estágio de entrada 7, o sinal de entrada é tipicamente amplificado e filtrado e, em seguida, encaminhado para um módulo detector de fase 8, que tipicamente compreende duas unidades de detecção de fase. O módulo detector de fase 8, que recebe um sinal de referência em fase Iref e um sinal de referência em quadratura Qref a partir de um gerador de frequência ou sintetizador 29, provê componentes em fase e componentes em quadratura dos sinais de banda base dos produtos e contaminates. A demodulação com o sinal de referência em fase Iref e com o sinal de referência em quadratura Qref provê informações de fase e permite distinguir entre as fases dos sinais de diferentes origens, e obtém informações sobre o produto e contaminantes observados, quando presentes. O módulo detector de fase 8 provê os sinais em fase e os sinais em quadratura para a unidade de controle 9, que é de preferência equipada com um processador de sinal, dispositivos de entrada e saída, um teclado e um visor. Por meio da unidade de controle 9, o funcionamento do detector de metal 1 poderá ser controlado. Em particular, as condições operacionais do detector de metal 1, particularmente a corrente de acionamento ID e a frequência operacional poderão ser selecionadas conforme desejado.

[0037] A unidade transmissora 10 compreende um controlador de acionamento 2, uma unidade de acionamento 3 e um conversor 4. O controlador de acionamento 2 compreende um gerador de frequência ou sintetizador 29, que é controlado pela unidade de controle principal 9 a fim de produzir uma desejada frequência operacional fTX e correspondentes sinais de referência em fase Iref e sinais de referência em quadratura QREF que são aplicados ao módulo detector de fase 8. A frequência operacional é aplicada à unidade de controle de acionamento 23, que provê sinais de acionamento d1, d2, tais como sinais modulados por largura de pulso, que exibem a frequência operacional e os fatores de serviço ajustados no sentido de gerar uma desejada corrente máxima de bobina iL61. Na unidade de acionamento 3, os sinais de acionamento d1, d2 são amplificados pelos amplificadores 31, 32 e encaminhados para o conversor 4.

[0038] O conversor 4 compreende duas chaves de acionamento S41, S42 que formam uma meia ponte e que são controladas por meio dos sinais de acionamento d1, d2. As chaves de acionamento S41, S42 proveem uma corrente de acionamento iD para a bobina de acionamento L61 do sistema de bobinas 6. Em conjunto com os capacitores C1 e C2, a bobina de acionamento L61 forma um circuito ressonante em série. A frequência ressonante do circuito ressonante em série e a frequência operacional do detector de metal 1 são de preferência deslocadas uma com relação à outra. O circuito ressonante, que consiste dos capacitores C1 e C2 e da bobina de acionamento L61, é conectado, com uma extremidade, à terra e, com a outra extremidade, à derivação central do circuito em meia ponte S41, S42 do conversor 4.

[0039] O primeiro capacitor C1 é conectado a um terminal da bobina de acionamento L61, e o segundo capacitor C2 é conectado ao outro terminal da bobina de acionamento L61. O circuito ressonante em série resultante é, por conseguinte, equilibrado tendo em vista os capacitores C1, C2 conectados aos terminais da bobina de acionamento L61. Com uma chave u1, um terceiro capacitor C3 poderá ser conectado em paralelo ao primeiro capacitor C1 e, com uma chave u2, um quarto capacitor C4 poderá ser conectado em paralelo ao segundo capacitor C2, de modo que a frequência ressonante do circuito ressonante em série possa ser ajustada para um valor correspondente. Ao se adicionar ou ao se subtrair os capacitores ou os enrolamentos de bobina, a frequência ressonante poderá ser ajustada para qualquer valor desejado.

[0040] A primeira chave de acionamento S41 do circuito em meia ponte é conectada, com a extremidade superior, ao potencial de tensão Vd e, com a extremidade inferior, à derivação central do circuito em meia ponte. A segunda chave de acionamento S42 é conectada, com a extremidade superior, à derivação central do circuito em meia ponte e, com a extremidade inferior, à terra. No período ativo do primeiro sinal de acionamento d1, a primeira chave de acionamento S41 conecta o capacitor C2 ou o terminal do circuito ressonante em série em questão ao potencial de tensão VD. Nessa fração do período da frequência operacional em questão, a segunda chave de acionamento S42 é aberta. Na fração seguinte do período da frequência operacional em questão, a segunda chave de acionamento S42 é fechada. Nessa fração, o capacitor C2 ou o terminal do circuito ressonante em série em questão é conectado à terra. Consequentemente, nessa fração do período da frequência operacional em questão, o circuito ressonante é conectado através do capacitor C1 à terra e através do capacitor C2 e da segunda chave de acionamento S42 à terra e formará, assim, um circuito fechado. Na primeira frequência de cada período da frequência operacional, a energia é injetada no circuito ressonante em série, enquanto que, na segunda fração de cada período da frequência operacional, nenhuma energia será adicionada, porém a energia poderá ser perdida devido às resistências elétricas, como também devido à indução de um campo magnético nas bobinas de detecção L62, L63. Ao se ajustar a razão da primeira e da segundo frações ou os relacionados fatores de serviço do primeiro sinal de acionamento d1 e do segundo sinal de acionamento d2, a energia presente no circuito ressonante e, por conseguinte, a corrente máxima de bobina i e as tensões que aparecem nos iL61 C1 e C2 poderão ser ajustadas para valores desejados.

[0041] Na unidade de controle de acionamento 23, os fatores de serviço dos sinais de acionamento d1, d2 são calculados por meio de um programa de controle 231 ou recursos a partir de um módulo de memória, no qual os dados dos fatores de serviço para cada frequência operacional selecionável e os dados de cada corrente de bobina iL61 para cada frequência operacional são armazenados. Endereçados por um contador de endereço 22, que envia informações de endereço “ad” para a unidade de controle de acionamento 23, os dados para os fatores de serviço poderão ser lidos de forma recursiva a partir da memória. De maneira alternativa, temporizadores poderão ser ajustados no sentido de indicar a extensão dos períodos ativos dentro dos períodos dos sinais operacionais para cada sinal de acionamento d1, d2 à medida que os fatores de serviço são continuamente calculados e adaptados, conforme requerido.

[0042] De acordo com essa modalidade preferida, as tensões que aparecem no circuito ressonante em série são medidas e convertidas em um conversor A/D 21 para um valor digital que é suprido para a unidade de controle de acionamento 23. A tensão medida poderá ser comparada com um valor de referência a fim de determinar uma diferença que deverá ser minimizada ao se alterar os fatores de serviço dos sinais de acionamento d1, d2 em conformidade. A unidade de controle de acionamento 23 pode atuar como um controlador proporcional integral derivativo PID, que se baseia na diferença medida, aplica uma correção com base nos termos proporcionais, integrais, e derivativos.

[0043] A Figura 2 mostra exemplos de sinais de acionamento d1, d2 que são aplicados às chaves de acionamento S41, S42 no conversor 4 da Figura 1. Do tempo t1 ao tempo t2, o primeiro sinal de acionamento d1 tem um fator de serviço de 0.25 ou π/2, e o segundo sinal de acionamento d2 tem um fator de serviço de 0.75 ou 3π/2. O primeiro sinal de acionamento d1 é ativo na primeira fração do período do sinal de acionamento d1. O segundo sinal de acionamento é ativo na segunda fração do período do sinal de acionamento d2. A extensão da primeira fração e a extensão da segunda fração do primeiro e do segundo sinais de acionamento correspondem totalmente à extensão de um período completo 2π dos sinais de acionamento d1, d2. Uma vez que a fração ativa do primeiro sinal de acionamento d1 é relativamente curta e o circuito ressonante em série é conectado à tensão de acionamento Vd apenas durante curtos períodos de tempo, a corrente de bobina iL61 ficará comparativamente pequena.

[0044] Do tempo t3 ao tempo t4, os fatores de serviço do primeiro e do segundo sinal de acionamento d1, d2 são ajustados para 0.5 ou π.
Para uma metade do período 2π, o circuito ressonante em série será, portanto, conectado à tensão de acionamento Vd e, para a outra metade do período 2π, o circuito ressonante em série será conectado à terra. Nesse intervalo de tempo, a energia no circuito ressonante em série e a presente corrente máxima de bobina iL61 são aumentadas em conformidade.

[0045] A Figura 3 mostra o detector de metal 1 da Figura 1 com um conversor 4 que compreende um circuito em ponte completa com quatro chaves de acionamento S41, S42, S43, S44, as quais recebem cada um dos sinais de acionamento d1, d2, d3, d4 provenientes da unidade de acionamento 3. O circuito em ponte completa compreende um primeiro circuito em meia ponte com as chaves de acionamento S41 e S42 e um segundo circuito em meia ponte com as chaves de acionamento S43 e S44. Em um modo não sintonizado, o circuito em ponte completa como um todo com o primeiro circuito em meia ponte e o segundo circuito em meia ponte se torna ativo. Em um modo sintonizado, somente o primeiro circuito em meia ponte do circuito em ponte completa fica ativo, enquanto que a chave de acionamento S43 do segundo circuito em meia ponte permanece aberta e a chave de acionamento S44 permanecerá fechada.

[0046] Em um modo não sintonizado, os capacitores C1 e C2 são colocados em curto circuito pelas chaves u3 e u4. Um terminal da bobina de acionamento L61 é conectado à derivação central do primeiro circuito em meia ponte, e o outro terminal da bobina de acionamento L61 é conectado à derivação central do segundo circuito em meia ponte. De acordo com essa configuração, o circuito em ponte completa poderá ser operado com os sinais de acionamento d1, d2, d3, d4 a fim de gerar qualquer frequência em um tempo ou múltiplas frequências no tempo.

[0047] Ao se alterar os ajustes de chave das chaves u3 e u4 e ao se abrir a chave de acionamento S43 e ao se fechar a chave de acionamento S44 do segundo circuito em meia ponte, o conversor 4 poderá ser reconfigurado tal como mostrado na Figura 1. Nesse estado, somente o primeiro circuito em meia ponte com as chaves de acionamento S41 e S42 ficará ativo. Um terminal da bobina de acionamento L61 é conectado à derivação central do primeiro circuito em meia ponte e o outro terminal da bobina de acionamento L61 é conectado através da chave de acionamento S44 à terra. De acordo com essa configuração, o circuito em meia ponte é operado tal como descrito com referência à Figura 1.
Lista dos Sinais de Referência
1 - detector de metal
10 - unidade transmissora
11 - unidade receptora
2 - controlador de acionamento
21 - conversor A/D
22 - contador de endereço
23 - unidade de controle de acionamento
231 - programa de controle
29 - gerador de frequência
3 - unidade de acionamento
31, 32, 33, 34 - amplificadores
4 - conversor
S41, S42, S43, S44 - chaves de acionamento
6 - sistema de bobinas (equilibradas)
L61 - bobina de acionamento
L62, L63 - bobinas de detecção
7 - estágio de entrada
8 - unidade de detecção de fase
9 - unidade de controle / sistema de computação
ad - sinal de endereço
C1, C2, C3, C4 - capacitores conectados / conectáveis à bobina de acionamento
u1, u2 - chaves para a alteração da frequência de ressonância
u3, u4 -chaves para a alteração do modo de funcionamento
d1, d2 - sinais de acionamento
fTX - frequência operacional
fD1, fD2- componentes de frequência
iD - corrente de acionamento
iL61 - corrente de bobina
VD - o primeiro potencial de tensão, primeira tensão de acionamento
VS - segundo potencial de tensão, segunda tensão ou terra

Claims

Método de funcionamento de um detector de metal (1) que compreende um sistema de bobinas equilibradas (6) com duas bobinas de detecção (L62, L63) conectadas a uma unidade receptora (11) e indutivamente acopladas a uma bobina de acionamento (L61), que, em conjunto com pelo menos um capacitor (C1, C2), forma um circuito ressonante em série que é conectado a uma unidade transmissora (10), que compreende um conversor (4) com uma primeira chave de acionamento (S41) e uma segunda chave de acionamento (S42) que formam um circuito em meia ponte e que são acionadas por um controlador de acionamento (2)
- - de acordo com um primeiro sinal de onda quadrada (d1) que é ajustado a uma frequência operacional fixa ou selecionável (fTX) e é aplicado à primeira chave de acionamento (S41), a qual é conectada, por um lado, a um primeiro potencial de tensão (VD) e, por outro lado, a uma derivação central do circuito em meia ponte, e
- - de acordo com um segundo sinal de onda quadrada (d2) que é ajustado à frequência operacional fixa ou selecionável (fTX) e é aplicado à segunda chave de acionamento (S42), a qual é conectada, por um lado, a um segundo potencial de tensão (VS) e, por outro lado, à mesma derivação central do circuito em meia ponte, através do qual uma corrente de acionamento (iD) é suprida para a bobina de acionamento (L61);
- - caracterizado pelo fato de compreender as etapas de:
- - prover o primeiro potencial de tensão (VD) e o segundo potencial de tensão (VS) com diferentes magnitudes com relação à terra;
- - prover o primeiro sinal de onda quadrada (d1) com um primeiro fator de serviço variável e o segundo sinal de onda quadrada (d2) com um segundo fator de serviço variável de tal maneira que o primeiro sinal de onda quadrada (d1) e o segundo sinal de onda quadrada (d2) nunca fiquem ativos ao mesmo tempo; e
- - ajustar o primeiro fator de serviço e o segundo fator de serviço no sentido de ajustar a corrente de bobina (iL61) da bobina de acionamento (L61) a um valor adequado para o funcionamento do detector de metal e para a medição de contaminantes.
Método de funcionamento de um detector de metal (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o primeiro potencial de tensão (VD) ou o segundo potencial de tensão (VS) é ajustado à terra e/ou ao circuito ressonante em série.
Método de funcionamento de um detector de metal (1), de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de compreender as etapas de gerar o primeiro sinal de onda quadrada (d1) e o segundo sinal de onda quadrada (d2) com formas de onda que se complementam uma à outra pelo menos aproximadamente de modo que a soma do primeiro fator de serviço corrente e do segundo fator de serviço corrente fique aproximadamente igual a 1.
Método de funcionamento de um detector de metal (1), de acordo com a reivindicação 1, 2 ou 3, caracterizado pelo fato de compreender as etapas de ajustar o primeiro fator de serviço e o segundo fator de serviço no sentido de ajustar a corrente de bobina (iL61) da bobina de acionamento (L61) a um valor no qual as tensões que ocorrem no circuito ressonante em série permanecem abaixo de um valor máximo predeterminado.
Método de funcionamento de um detector de metal (1), de acordo com uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de compreender as etapas de direcionar a corrente de acionamento (iD) da derivação central do circuito em meia ponte através do circuito ressonante em série à terra.
Método de funcionamento de um detector de metal (1), de acordo com uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de compreender as etapas de dispor pelo menos um primeiro capacitor (C1) em um lado da bobina de acionamento (L61) e pelo menos um segundo capacitor (C2) no outro lado da bobina de acionamento (L61), e pelo fato de que o primeiro capacitor (C1) e o segundo capacitor (C2) são de preferência idênticos.
Método de funcionamento de um detector de metal (1), de acordo com uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de compreender as etapas de prover pelo menos um terceiro capacitor (C3) que é conectável por meio de uma primeira chave (u1) ao pelo menos um ou primeiro capacitor (C1) e/ou prover pelo menos um quarto capacitor (C4) que é conectável por meio de uma segunda chave (u2) ao segundo capacitor (C2), e fechar ou abrir a primeira chave (u1) e/ou a segunda chave (u2) no sentido de alterar a frequência ressonante do circuito ressonante em série.
Método de funcionamento de um detector de metal (1), de acordo com uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de compreender as etapas de ajustar a frequência operacional fixa ou se-lecionável (fTX) deslocada da frequência ressonante do circuito ressonante em série de tal maneira que a corrente de bobina (iL61) da bobina de acionamento (L61) seja ajustável dentro de uma faixa de corrente, na qual a corrente de bobina (iL61) da bobina de acionamento (L61) e/ou as tensões que ocorrem no circuito ressonante em série permanecem abaixo de valores máximos predeterminados.
Método de funcionamento de um detector de metal (1), de acordo com uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de compreender as etapas de medir uma tensão em um capacitor (C1, C2) do circuito ressonante em série, comparar a tensão medida com um valor de referência e ajustar o primeiro fator de serviço do primeiro sinal de onda quadrada (d2) e o segundo fator de serviço do segundo sinal de onda quadrada (d2) de acordo com a diferença entre a tensão medida e o valor de referência, que corresponde a um predeterminado valor da corrente de bobina (iL61) da bobina de acionamento (L61).
Método de funcionamento de um detector de metal (1), de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de compreender as etapas de determinar valores de operação para o primeiro fator de serviço e para o segundo fator de serviço no sentido de ajustar a corrente de bobina (iL61) na bobina de acionamento (L61) a um valor adequado para cada frequência operacional selecionável (fTX) e selecionar uma das frequências operacionais (fTX) juntamente com os relacionados valores de operação para o primeiro fator de serviço e para o segundo fator de serviço.
Método de funcionamento de um detector de metal (1), de acordo com uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado pelo fato de compreender as etapas de:
- - operar o sistema de bobinas (6) em um modo sintonizado, no qual a bobina de acionamento (L61), em conjunto com pelo menos um capacitor (C1, C2), forma um circuito ressonante em série e é conectada ao circuito em meia ponte e
- - operar o sistema de bobinas (6) em um modo não sintonizado, no qual a bobina de acionamento (L61) não faz parte de um circuito ressonante em série e é conectada a um circuito em ponte completa, que de preferência é conversível ao circuito em meia ponte.
Detector de metal (1), caracterizado pelo fato de operar de acordo com um método conforme definido em uma das reivindicações 1 a 12.
Detector de metal (1), de acordo com a reivindicação 12, compreendendo um sistema de bobinas equilibradas (6) com duas bobinas de detecção (L62, L63) conectadas a uma unidade receptora (11) e indutivamente acopladas a uma bobina de acionamento (L61), que, em conjunto com pelo menos um capacitor (C1, C2), forma um circuito ressonante em série que é conectado a uma unidade transmissora (10), que compreende um primeiro conversor (4) com uma primeira chave de acionamento (S41) e uma segunda chave de acionamento (S42) que formam um circuito em meia ponte e que são acionadas por um controlador de acionamento (2)
- - de acordo com um primeiro sinal de onda quadrada (d1) que é ajustado a uma frequência operacional fixa ou selecionável (fTX) e é aplicado à primeira chave de acionamento (S41), a qual é conectada, por um lado, a um primeiro potencial de tensão (VD) e, por outro lado, a uma derivação central do circuito em meia ponte, e
- - de acordo com um segundo sinal de onda quadrada (d2) que é ajustado à frequência operacional fixa ou selecionável (fTX) e é aplicado à segunda chave de acionamento (S42), a qual é conectada, por um lado, a um segundo potencial de tensão (VS) e, por outro lado, à derivação central do circuito em meia ponte, através do qual uma corrente de acionamento (iD) é suprida para a bobina de acionamento (L61);
- - o detector de metal sendo caracterizado pelo fato de que:
- - o primeiro potencial de tensão (VD) e o segundo potencial de tensão (VS) são de diferentes magnitudes com relação à terra;
- - o primeiro sinal de onda quadrada (d1) é provido com um primeiro fator de serviço variável e o segundo sinal de onda quadrada (d2) é provido com um segundo fator de serviço variável de tal maneira que o primeiro sinal de onda quadrada (d1) e o segundo sinal de onda quadrada (d2) nunca fiquem ativos ao mesmo tempo; e pelo fato de que
- - o primeiro fator de serviço e o segundo fator de serviço são ajustáveis no sentido de ajustar a corrente de bobina (iL61) na bobina de acionamento (L61) a um valor adequado para o funcionamento do detector de metal e para a medição de contaminantes.
Detector de metal (1), de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que o primeiro potencial de tensão (VD) ou o segundo potencial de tensão (VS) é ajustado à terra.
Detector de metal (1), de acordo com a reivindicação 11, 12 ou 13, caracterizado pelo fato de que o conversor (4) é conversível de um circuito em meia ponte que compreende uma primeira chave de acionamento (S41) e uma segunda chave de acionamento (S42) a um circuito em ponte completa que compreende um primeiro circuito em meia ponte com a primeira chave de acionamento (S41) e a segunda chave de acionamento (S42), e um segundo circuito em meia ponte com uma terceira chave de acionamento (S43) e uma quarta chave de acionamento (S44).