BRPI0817087B1 - Método para operar um dispositivo eletroacústico, e, aparelho eletroacústico - Google Patents

Abstract

aparelho eletroacústico. um aparelho acústico adaptado para operar em um espaço preenchido com gás para fazer uma medição de espessura sem contato de um objeto a ser medido ou para fazer uma caracterização sem contato de um meio localizado no lado oposto do objeto. o aparelho compreende um transceptor acústico elétrico para emitir um sinal acústico em direção ao objeto a ser medido e receber um sinal de resposta acústico, e um processador de sinal para processar o sinal de resposta e para determinar a espessura do objeto. o transdutor tem uma interface acústica transdutor para gás, e é adaptado para emitir um pulso de banda larga acústico em direção ao objeto e para receber um sinal de resposta de ressonância acústico. o processador de sinal determina a espessura do objeto a ser medida ou faz uma caracterização de um meio localizado no lado oposto do objeto usando uma transformada de fourier rápida (fft) do sinal de resposta de ressonância acima de um predeterminado nível de sinal para ruído.

Description

“MÉTODO PARA OPERAR UM DISPOSITIVO ELETROACÚSTICO, E, APARELHO ELETROACÚSTICO” FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

A. Sistema de monitoração de tubulações de gás disponível

Dois métodos principais estão disponíveis hoje para inspeção/monitoração do estado das paredes nas linhas de tubos de gás, a saber, métodos ópticos e métodos conhecidos como métodos de Fuga de Fluxo Magnético. Tipicamente, é de interesse ser capaz determinar a espessura da parede do tubo e outras condições do tubo durante inspeções regulares, preferencialmente 10 sob condições de operação normal, e sem ter de tirar medidas, tal como, e.g. enchendo o tubo com um líquido para o propósito de fornecer um meio de acoplamento para efetuar tais medições através de meios ultrassônicos, já que tais medições especiais são dispendiosas e causam interrupções longas na operação da tubulação envolvida. Métodos ópticos são tais como o um utilizado pelo 15 Optopig, que é baseado em laser e mede a distância para a parede junto com uma resolução e através da parede do tubo de cerca de 1 mm adaptado à superfície interna, mas não mede a espessura remanescente. O sistema é geralmente não aplicável para áreas cobertas por concentrado ou outro material líquido. O método de Fuga de Fluxo Magnético é um método que calcula a perda de massa dentro de 20 uma determinada área, mas não é capaz de calcular espessuras absolutas, e o método não é aplicável para paredes de tubo muito espessa.

Há muito se colocou que medições por ultrassom sem contato (NCU) de espessura e outras características em uma situação onde uma atmosfera gasosa existe entre o aparelho de medição e o objeto a ser medido 25 geralmente é considerado em sonho impossível. Em uma pré-impressão de um capítulo para Encyclopedia of Smart Materiais, editor A.Biederman, John Wiley & Sons, Nova Iorque (esperado em 2001), por Mahesh C. Bhardwaj, publicada na página da world wide web http://www.ultragroup. com/Company/Publications/PDF/esm l.pdf, a qual visão geral é enfatizada.

Enquanto algumas técnicas para fazer medições de NCU são sugeridas na publicação citada acima, elas todas aparecem para sofrer limitações na medida em que sua aplicação comercial e sucesso no mercado não têm se tomado aparente para os presentes requerentes da patente.

Conseqüentemente, há uma necessidade de um aparelho e método que seja simples no uso, e que de modo confiável e precisamente fornece medições de NCU de espessura e outras características de um objeto a ser medido em uma gama ampla de aplicações, e em particular para aplicações tal como inspeções da tubulação de gás.

B. Campo da invenção

A presente invenção é particularmente adequada para, de forma simultânea, monitorar tubulações de gás para corrosão e caracterizar o meio externo da parede de tubo. Mais particularmente, a presente invenção se refere a um novo aparelho e método para a monitoração em loco de tais tubos de gás a partir do interior, e ao mesmo tempo caracteriza os meios envolvendo o tubo. Se o tubo é revestido, a caracterização podería ser decidir se o revestimento se destacou ou não da parede do tubo. O método é também aplicável com algumas limitações geométricas se há uma camada de líquido cobrindo o fundo do tubo, as limitações geométricas se referem ao ângulo crítico entre o meio de gás e a superfície de água. Acima do ângulo crítico toda energia acústica é refletida a partir da superfície, e medições não são possíveis para ângulos maiores do que este ângulo crítico. Um e o mesmo aparelho é também aplicável dentro do intervalo dos diâmetros da tubulação dentro da costa e fora da costa conhecidos (até cerca de l,50m).

Estimulando a parede do tubo com energia acústica pulsada compreendendo componentes com comprimentos de onda correspondendo a duas vezes a espessura da parede, ou números integrais deste valor, essas ffeqüências criará ondas estacionárias da parede do tubo. Quando pulso emitido chega ao final, energia ressonante é reirradiada, e detectada por um transdutor de recepção localizado em uma distância da parede.

Referindo à figura 1, esta mostra um exemplo de um sinal acústico 100 emitido de um transdutor 111, refletido por uma parede de tubo de aço 112 e recebido por um transdutor receptor 111.0 interior do tubo é um meio A, e fora do tubo é um meio Bl. O sinal acústico 100 é compreendido de uma parte refletida direta 101 e uma parte ressonante 102. A quantidade de energia contida no sinal recebido, é influenciada pelas características acústicas da parede do tubo assim como pelo meio em ambos os lados da parede. Quanto mais próximo da impedância de acústica do meio atrás da parede está da impedância acústica da parede, mais baixa é a energia refletida total.

Referindo à figura 2, esta mostra um correspondente resultado como na figura 1, somente meio B2 é agora diferente do meio Β1 na figura 1, e como pode ser visto comparando a figura 1 e a figura 2, a parte ressonante (102 e 202) da energia acústica refletida mudou.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

A presente invenção fornece um aparelho acústico adaptado para operar em um espaço preenchido com gás e de um lado primeiro de um objeto a ser medido para fazer a medição da espessura sem contato do objeto a ser medido ou para fazer uma caracterização sem contato de um meio localizado em um segundo lado do objeto a ser medido. Vantajosamente, o aparelho da invenção é incorporado como um eletroacústico. O aparelho tipicamente compreende um meio transdutor eletroacústico, um meio de transceptor acoplado com o meio transdutor eletroacústico e adaptado para excitar o meio transdutor eletroacústico para emitir um sinal acústico em direção ao objeto a ser medido e receber um sinal de resposta acústico dele, e um processador de sinal adaptado para processar o sinal de resposta e para determinar nas bases do sinal de resposta acústica, a característica de espessura do objeto a ser medido. O meio transdutor eletroacústico da invenção tem uma interface acústica transdutor para gás, e o transceptor é adaptado para operar o meio transdutor eletroacústico a fim de emitir em um vão preenchido com gás entre o meio transdutor eletroacústico e o objeto a ser medido, um pulso de banda larga acústico em direção ao objeto e receber o um sinal de resposta de ressonância acústica no sinal de resposta acústica em um nível que permite uma aquisição do sinal de resposta de ressonância acima de um predeterminado nível de sinal para ruído. O processador de sinal é adaptado para determinar a característica de espessura do objeto a ser medido ou fazer uma caracterização de um meio localizado em um segundo lado do objeto a ser medido usando uma transformada de Fourier rápida (FFT) do sinal de resposta de ressonância adquirida acima do predeterminado nível de sinal para ruído.

Em uma modalidade do aparelho da presente invenção, o meio de transceptor acoplado com o meio de transdutor eletroacústico é adaptado para operar com sinais acústicos tendo componentes acústicos em um intervalo de freqüência que é pelo menos, dez vezes menor do que freqüências usadas em tempo de execução de espessura medições do objeto a ser medido.

Em uma modalidade adicional do aparelho da presente invenção, inclui um meio transportador de transdutor adaptado para manter o vão preenchido com gás em uma distância predeterminada de uma superfície do objeto voltada ao vão preenchido com gás.

Em ainda uma modalidade adicional do aparelho da presente invenção, o meio transportador de transdutor é adaptado para transmitir o transdutor eletroacústico junto à superfície do objeto voltada ao vão preenchido com gás.

Em ainda uma modalidade adicional do aparelho da presente invenção, é adaptado para automaticamente estabelecer a distância predeterminada nas bases de pelo menos, um de uma espessura nominal do objeto a ser medido, características acústicas do gás no vão preenchido com gás, e freqüências do pulso de banda larga, a fim de otimizar a qualidade da medição de espessura sem contato.

A presente invenção representa valor aumentado para inspeção da tubulação conforme seja capaz de medir a partir do interior do pelo menos, o tubo parcialmente preenchido com gás, a espessura absoluta da parede do tubo através de uma camada de gás como um meio de acoplamento para um sinal acústico, a camada de gás agora com o emprego do aparelho ou método da presente invenção é permitida estar no intervalo de menos do que ou cerca de 10 milímetros e até 1000 milímetros ou mais, e, de forma simultânea, capaz de caracterizar o meio localizado fora da parede do tubo. Também é aplicável nas linhas do tubo de gás com condensados presentes, e um e o mesmo aparelho é aplicável para usar nos tubos de diferentes diâmetros.

Ainda as modalidades são prontamente entendidas a partir da seguinte Descrição Detalhada da Invenção, e exemplos e dos desenhos usado para explicar e divulgar a invenção.

DESCRIÇÃO BREVE DOS DESENHOS

Figura 1 é uma vista esquemática de uma parede do tubo 110 onde os meios em cada lado da parede são similares, e o sinal refletido resultante 100 a partir desta parede também é mostrado.

Figura 2 é uma vista esquemática de uma parede do tubo 210 onde os meios de dentro e de fora da parede são diferentes, e o sinal refletido resultante 200 a partir desta parede também é mostrado.

Figura 3 é uma vista esquemática do sistema da invenção aplicado para inspeção da tubulação de gás.

Figura 4 é uma vista esquemática de um tubo com duas camadas de revestimento.

Figura 5 é uma vista esquemática de um possível projeto de um módulo transdutor e de um único transdutor.

Figura 6 é um esboço de um projeto de um módulo transdutor onde a matriz de transmissão é espacialmente separada da matriz de recepção.

Figura 7 é um esboço do módulo transdutor em um tubo para ilustrar como a distância entre um correspondente transdutor de transmissão e recepção depende das velocidades do gás e som, e da distância da parede do tubo.

Figura 8 representa duas matrizes vistas de diferentes aspectos.

Figura 9 é uma vista esquemática de um possível projeto de sistema para sistemas de monitoração de tubulações de gás.

Figura 10 é uma vista esquemática do algoritmo da invenção.

Figura 11 é um fluxograma para identificação de conjunto de harmônicos.

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS MODALIDADES

Com relação ao sistema global da invenção.

Referindo à figura 3, esta mostra um esquemático de um exemplo de um cenário de descrevendo o uso do sistema de acordo com a invenção. O tubo é preenchido com gás 300 sob pressão no intervalo de 1 bar e mais, por exemplo, gás natural transportado de um reservatório. O sistema da invenção empregado neste cenário é preferencialmente designado para mapear a distribuição completa de espessura da parede do tubo, e também caracteriza o meio/mídia envolvendo o tubo. A distância entre os transdutores e a parede do tubo pode variar, indicada pelas setas 305 e 306 em dependência da variação do diâmetro do tubo. Dentro do tubo está um dispositivo de transporte 301 para um tubo de grande diâmetro e 302 para um tubo de menor diâmetro, preferencialmente um pistão raspador de comércio, alojando a arranjo de transdutor ultrassônico 307, e incluindo os circuitos eletrônicos analógicos e digitais 307 e 308 e a fonte de alimentação 309. O transportador se move através do tubo acionado pelo fluxo de gás.

Referindo à figura 4, o tubo 400 é tipicamente feito de paredes de aço 401, e pode ser coberta por um ou mais camadas de revestimento 402 e 403. A tarefa de caracterizar o meio na parte de fora da parede de tubo de aço poderia, por exemplo, ser para detectar ocorrências quando o revestimento interno se destacou da parede de tubo de aço.

Com relação aos transdutores

Referindo à figura 5, esta mostra um esquemático de uma metade de um módulo transdutor cilíndrico 500, e um dos transdutores 532 compreendendo um número de elementos de transmissão 532-1 e um elemento de recepção 532-2. Este projeto seria um de um número de projetos possíveis. Os elementos transdutor de transmissão tipicamente seriam compostos de cristal únicos, enquanto os elementos transdutor de recepção tipicamente seriam elementos piezo compostos. O transdutor pode vantajosamente ter um ou mais camada coincidentes na frente da face do transdutor (não mostrado na figura) para melhorar o acoplamento de energia acústica na interface entre o transdutor e o meio gasoso devido à diferença em impedância acústica. Ambos os elementos de transmissão e de recepção estarão dentro de um compartimento que contém os eletrodos acoplados a cada um dos elementos de transmissão e de recepção. Tipicamente o compartimento também tem o contato para eletricamente conectar o transdutor para a parte eletrônica do sistema.

Dependendo da velocidade do transportador, a parte de transmissão e de recepção dos transdutores poderia ser espacialmente separada.

Referindo à figura 6, esta mostra um arranjo onde as matrizes transdutor de recepção 601- 624 são espacialmente separadas das matrizes transdutor de transmissão 625 - 648. Representados na figura estão o módulo transdutor do tubo de gás 600, a distância entre as matrizes 650, um elemento da matriz transdutor de transmissão 647 assim como um elemento da matriz transdutor de recepção 623. O projeto mostrado na figura 6 é somente um de um número de projetos possíveis.

Referindo à figura 7, o tubo 700 com paredes de tubo de aço 701 e o módulo transdutor 702 é mostrado, c é a velocidade do som no meio de gás dentro do tubo, e v é a velocidade com a qual o transportador está se movendo. A distância dl entre os correspondentes transdutores de transmissão 703 e de recepção 704 depende da velocidade v do gás, a velocidade do som c, e a distância do transdutor para a parede do tubo d2 de acordo com a fórmula:

dl=(2*d2*v)/c

O aparelho da invenção contém um arranjo mecânico para mudar a distância dl de acordo com a fórmula acima.

O número de transdutores vai depender da cobertura desejável da circunferência da parede do tubo, enquanto a freqüência de transmissão relativa à velocidade do gás decide a cobertura na direção lateral. Os transdutores na matriz poderíam ser operados individualmente ou formando feixes poderíam ser aplicados.

Referindo à figura 8 representando as duas matrizes vista de dois diferentes aspectos em 801 e 802, e em 804 e 805. Para fazer as ilustrações simples somente um exemplo estático é representado. 803 mostra as áreas estimuladas acústicas resultantes (impressões) de cada transdutor da matriz mostrada em 801 e 802. A cobertura é menos do que 100%. Correspondentemente o arranjo mostrado em 804 e 805 resulta em impressões se sobrepondo e 100% de cobertura como mostrando em 806.

Com relação ao sistema eletrônico:

Figura 9 mostra um diagrama em bloco do sistema mostrado na figura 3 usado para medições em loco de propriedades do material de um objeto e o meio atrás com um meio gasoso como o meio de acoplamento acústico usado na presente invenção.

Uma forma de onda elétrica de banda larga é gerada em um gerador de função 901. De modo a obter a melhor proporção sinal para ruído possível, a amplitude da forma de onda elétrica de banda larga é aumentada usando um usando um amplificador de potência 902. Quando gás é usado como meio de acoplamento entre os transdutores e o objeto, os transdutores requerem maiores voltagens de excitação comparada com transdutores acoplados ao meio tendo maior impedância acústica como e.g. água, de modo a ter a mesma proporção sinal para ruído. Isto é devido à grande diferença em impedância acústica entre o meio gasoso e o transdutor, em adição à maior atenuação de energia acústica no gás comparado à e.g. água.

Uma rede de adaptação de transmissão 903 é usada para melhorar a largura de banda do sistema. Tal uma rede de adaptação permite ao amplificador de potência operar sobre uma mais larga banda de freqüências dentro da largura de banda operacional requerida com linearidade melhorada. O transdutor e a rede de adaptação constituem um filtro passa banda de terceira ordem de seção completa. Isto podería também ser feito com outros projetos de rede de adaptação que constituem filtros de passa banda de maior ordem.

A parte de transmissão do arranjo transdutor 904 converte a forma de onda elétrica de banda larga para vibrações mecânicas. Essas vibrações mecânicas forçam um sinal acústico de banda larga a propagar a partir do transdutor através do meio gasoso para a parede do tubo. Ao chegar na parede do tubo, o sinal acústico de largura de banda é parcialmente refletido da parede e parcialmente transmitido na parede. Se o sinal acústico de banda larga parcialmente transmitido compreende componentes com comprimentos de onda correspondendo a duas vezes a espessura da parede do tubo, ou números integrais desse valor, essas freqüências vão criar ondas estacionárias através da parede do tubo.

Quando o pulso emitido chega a um fim, energia ressonante é reirradiada e propagada através do meio gasoso a ser recebida na parte de recepção do arranjo transdutor 904. A parte de recepção do transdutor converte vibrações mecânicas para sinais elétricos normalmente na ordem de mV. Devido a perda na potência do sinal através do cabo entre a parte de recepção do arranjo transdutor 904 e o digitalizador 906, esses sinais são aplicados a um pré-amplificador de baixo ruído 905 antes o enviando através do cabo. O pré-amplificador e é usualmente localizado bem após o hidrofone. Se o cabo é longo e/ou a amplitude do sinal é baixa, podería haver uma necessidade de um amplificador adicional antes do sinal estar indo para o digitalizador 906.

O sinal elétrico amplificado é digitalizado por um digitalizador 906 tal como um conversor de analógico para digital (A/D) e armazenado, ou na memória de um processador ou em meio de armazenamento como e.g. uma memória flash para análise posterior. Se os dados digitalizados são armazenados na memória do processador, eles poderíam ser analisados, exibidos e então armazenados. O processador está usando a técnica descrita abaixo em detalhes adicionais.

A unidade de controle 907 compreende um processador e podería também incluir um meio de armazenamento.

Um possível melhoramento é usar técnicas de equalização na transmissão, recepção ou ambas. O uso de técnicas de equalização pode melhorar a linearidade global de fase, eficiência e resposta de amplitude do sistema descrito na figura 9.

Com referência ao algoritmo

Do começo ao fim do fluxograma da figura 10 é assumido que dados exibidos são também armazenados em um meio de armazenamento adequado.

1001 Sinal do tempo

As séries de números reais correspondendo às voltagens da unidade de DAQ 180. Daqui em diante será referido como o vetor de tempo.

1002 Parâmetros de entrada • Velocidade do som no objeto de medição, co • Comprimento da janela de tempo para estimativa espectral, N • Largura esperada de eco primário sem a parte final de ressonância, W • Métodos de estimativa espectral • Velocidade do som do líquido, c_w • Escolha de funções de janela (e.g. Hanning, Bartley) • Freqüência de amostragem, F_s • Intervalo de freqüência usada no transceptor • Espessura da margem superior esperada • Proporção mínima entre energias de pico em ecos primário e secundário • Número de conjuntos de dados na memória de referência, M • Tolerância de inteiros (1022-6) • Limite do peso da freqüência inferior ( 1022-7)

1010 Análise de Freqüência de tempo

Entradas: sinal de tempo, técnica de estimativa espectral, N, F_s

O conteúdo de energia no domínio de freqüência de tempo é estimado usando qualquer técnica padrão, tal como a transformada de Fourier deslizante, ou a distribuição de Wigner. O tempo de energia máxima é identificado, a partir disto e N o tempo inicial da parte final é encontrado.

Saídas: matriz de potência, vetor de tempos (em unidades de intervalo de amostragem), vetor de freqüências (in Hz), início do tempo da parte final

1020 Identificar eco primário

Entradas: vetor de tempo, largura esperada do eco primário

Acha o tempo correspondendo a maior energia de pulso, e usa largura esperada do eco primário para encontrar o início e fim do eco.

Saídas: tempos de início e fim do eco

1021 Estimativa Espectral

Entradas: vetor de tempo, método de estimativa espectral, tempos de início e fim de análise, funções de janela, N, F_s

O conteúdo de potência de freqüência do sinal de tempo é estimado usando qualquer técnica padrão, a partir do período baseado em métodos para métodos paramétricos, por exemplo, usando o modelo de Yule Walker. A estimativa é efetuada em duas janelas, uma compreendendo a parte final somente (iniciando no fim do eco durando até o fim do eco + N), e uma compreendendo o eco e sua parte final, iniciando no tempo inicial do eco - N durante até o fim do eco + N.

De forma similar, o espectro secundário, o espectro dos harmônicos de terceira ordem, é computado usando técnicas padrões. A interpretação do espectro secundário é menos claro do que o espectro ordinário, mas suas principais vantagens são, rejeita ruído Gaussiano eficientemente e realça ffeqüências acopladas em fase.

Saídas: parte final do vetor de potência, vetor com freqüências (em Hz) correspondendo aos valores de potência, eco de vetor de potência, vetor com freqüências (em Hz) correspondendo aos valores de potência, matriz de espectro secundário, freqüências correspondentes

1022 Identificação de freqüência de ressonância

Entradas: parte final do vetor de freqüência, eco do vetor de freqüência, espectro secundário do vetor de freqüência, intervalo de freqüência usado no transceptor

Identifica freqüências de harmônicos e atribui a ordem de harmônico correta a elas. O procedimento é detalhado abaixo em 1022-1 a 1022-8.

Saídas: índice no tempo e vetores de freqüência correspondendo às freqüências de ressonância, ordens de harmônicos

1023 Caracterizar objeto de medição

Entradas: co, freqüências de ressonância, ordens de harmônicos

A medição da espessura do objeto é computado de

onde n é o inteiro indicando a ordem do harmônico, f_res é a freqüência de ressonância de ordem de harmônico n, e <·> denota média. Exibir resultados.

Saídas: estimativa de espessura

1030 Identificar eco secundário

Entradas: vetor de tempo, tempo de início e fim de eco primário, proporção mínima entre a energia de pico de ecos primário e secundário

O propósito é determinar se há dois conjuntos de ecos sobrepostos no sinal de tempo, que indica que há uma camada de líquido entre o transceptor e o objeto de medição. O eco secundário é a parte do pulso transmitido original a partir do transceptor que é transmitido através da interface gás - líquido, prossegue através do líquido, é refletido a partir do objeto de medição, e finalmente transmitido através da interface de gás líquido. Então, o eco secundário contém a informação a partir do objeto de medição e é, por conseguinte, crucial que as análises adicionais sejam efetuadas neste eco mais propriamente do que o eco primário.

O eco secundário é assumido ter uma extensão temporal similar como o eco primário, e para amostrar até algum tempo após o eco primário. Se nenhum eco secundário é encontrado, valores vazios são retomados.

Saídas: tempo de início e fim do eco secundário

1031 Líquido está presente?

Entradas: tempos de início e fim do eco secundário

Se as Entradas são vazias, prosseguir o cálculo com o eco primário determinando as janelas usadas para análise.

Se as Entradas são não vazias, líquido é considerado estar presente e as análises prosseguem usando o eco secundário como a base para determinar janelas de tempo relevante.

Saídas: se eco secundário foi encontrado

1032 A profundidade da camada líquida

Entradas: tempos de ecos primário e secundário, Cw

Da diferença de tempo entre o eco secundário e primário, a profundidade da camada de líquido é computada de

t — í sec prim

Com t_sec e t_prim sendo o tempo de chegada de pulsos primário e secundário respectivamente.

Armazena o valor e o exibe.

Saídas: profundidade estimada de camada de líquido

1040 Tempos de decaimento

Entradas matriz de potência de freqüência de tempo, índices das freqüências de ressonância, início do tempo da parte final

A característica do tempo de decaimento das freqüências de ressonância na parte final é encontrada.

Saídas: os tempos de decaimento da freqüência de ressonância

1041 Energia das freqüências de ressonância

Entradas: parte final de vetor de potência, eco de vetor de potência, índices das freqüências de ressonância

Saídas: A proporção da potência nas freqüências de ressonância com relação à potência total (densidade espectral de potência integrada com relação à freqüência) no pulso do eco.

Agora, detalhes do fluxograma da figura 11 para identificação de conjunto de harmônico é explicada.

1022-1 Encontrar local máxima/mínimo

Entradas: eco do vetor de potência, parte final do vetor de potência, vetor de espectro secundário

Encontra local máximo no vetor de espectro secundário e a parte final do vetor de potência. Encontra local mínimo no eco de vetor de potência.

A união dos três conjuntos é uma lista de candidato de ffeqüência de harmônico potencial

Saídas: candidatos de ffeqüência de harmônico

1022-2 Pesos máximo/mínimo

Entradas: candidatos de ffeqüência de harmônico, eco do vetor de potência, vetor de espectro secundário, tamanho de filtro

1. Configurar inicialmente os vetores de peso com valores zero exceto em candidatos de ffeqüência de harmônicos, onde o valor dos vetores de potência é usado para espectro secundário e parte final. Os vetores de peso são normalizados para o maior valor em cada caso, e.g. todos os pesos das ffeqüências candidatas de espectro secundário são normalizados ao valor máximo valor no vetor de espectro secundário.

2. Subtrair o eco de vetor de potência com sua versão filtrada. A diferença no local mínimo define o peso neste caso. Normaliza para a maior diferença encontrada.

3. Um agora tem três conjuntos de pesos, Wbi_Sp, W_cauda, W_eco, disponíveis, cada um normalizado tal que o maior peso é 1

4. Para cada conjunto, escalona os pesos por (0 = ^wj (^Ζ)ΓΙ ^exP(^—óf a ) k*j onde d_k é a distância mais curta para um peso não zero no conjunto k. Wj (i) é the i-ésimo elemento do y-ésimo conjunto.

5. Soma os pesos de cada conjunto para obter um único vetor de peso.

O vetor de peso subseqüente fornece peso para grandes picos/mínima profundidade nos respectivos vetores de potência, mas penaliza cada peso se ele está longe das freqüências nos outros conjuntos. Pesos são números reais entre 0 e 1.

Saídas: pesos atribuídos a cada candidato de ffeqüência de harmônico

1022-3 Classificação de acordo com os pesos

Entradas: pesos, candidatos de ffeqüência de harmônicos

Classifica o vetor de pesos, e usa os índices de classificação par re-arrumar os candidatos de ffeqüência de harmônico tal que eles são listados em ordem de peso decrescente.

Saídas: candidatos de ffeqüência de harmônico classificados

1022-4 Compor conjuntos de freqüência

Entradas: candidatos de ffeqüência de harmônico classificados, pesos, limite de pesos de ffeqüência

1. Rejeitar todas as freqüências candidatas abaixo do limite

2. Re-arrumar candidates de freqüência em conjuntos. Se há N candidatos, então compor N lista { f₁₅... f_N }, { fi,... f_N.i }, e assim por diante, onde a menor freqüência ponderada na lista anterior é progressivamente removida. Cada lista é doravante conhecida como um conjunto de freqüência.

Cada conjunto de freqüência é denotado F_n.

Saídas: conjuntos de freqüência { Fi, F₂,.., F_N }

1022-5 Volta através de todos os conjuntos, i = Ι,.,.,Ν

1022-6 Encontrar conjuntos de harmônicos:

Entradas: conjuntos de freqüência { Fj, F₂,.., F_N }, tolerância de inteiro, espessura máxima esperada, intervalo de freqüência usado no transceptor

Os conjuntos de harmônicos para uma lista de freqüência Fj são computados como a seguir: inicialmente uma matriz η x n preenchida com todas as proporções possíveis de freqüências é encontrado,

M'- = — fj

A matriz M' é usada para construir uma maior matriz M concatenando kM', k = 1,2,..., k_max como a seguir:

Γ 1-M’ .M’

LAmax J

O inteiro k_max é computado a partir da espessura máxima permitida, uma entrada de usuário.

O passo seguinte é to round todos os elementos em M para seu mais próximo inteiro, e comparar a diferença entre os valores inteiros e as proporções de freqüência em M. Um elemento é considerado um inteiro se esta diferença é menor do que um limite especificado do usuário, tipicamente 0,1, e a matriz N onde todos os elementos não inteiros em M igual a zero se encontrada. As linhas em N identificam os conjuntos de harmônicos: para um dado elemento Ny, o valor corresponde à ordem do harmônico da freqüência fj na lista de freqüência.

Saída: Conjunto de matrizes de inteiros { Nj, N₂,.., Nn }.

1022-7 Removendo elementos em Nn:

Entrada: conjunto de matrizes de inteiros { N_b N₂,.., N_n }, espessura máxima esperada, intervalo de freqüência usada no transceptor

As matrizes de ordem de harmônicos N_n são, de forma significativa, reduzidas removendo as linhas contendo um valor acima da ordem máxima k_max. Todas as linhas duplicadas são removidas, e linhas dando a espessura acima do valor máximo de entrada do usuário são removidas.

Saídas: Conjunto de matrizes de inteiro reduzidas { N_b N₂,.., N_n }.

1022-8 Contagem de número de harmônicos em Ng

Entrada: Conjunto de matrizes de inteiros reduzidas { N_b N₂,.., N_n}.

Para cada N_n, o conjunto de harmônico com o maior número de freqüências únicas é gravado. Os números são armazenados em um vetor Φ.

Saída: vetor Φ de número máximo de conjuntos únicos.

1022-9 Encontrando subconjunto de freqüências ótimo:

Entrada: vetor Φ de número máximo de conjuntos únicos, número de freqüências em cada conjunto de freqüência, conjunto de matrizes de inteiro reduzidas { Nj, N₂,.., N_n }.

O objetivo é encontrar o subconjunto ótimo da lista de freqüência original. Cada subconjunto é associado com um número de harmônicos únicos armazenado em Φ. Em adição, cada subconjunto tem um número de freqüências.

O subconjunto ótimo se encontrado achando a maior proporção de Φ dividido pelo número de freqüências na lista, negligenciando o caso trivial para somente uma freqüência única. Neste processo nos temos de realizar ambos, uma rejeição de freqüências, e conjuntos de harmônicos obtidos.

Saída: índices para subconjunto ótimo de freqüências, conjunto de harmônicos.

OUTRAS APLICAÇÕES

Até agora o sistema da invenção foi descrito como uma escâner de tubo, mas o sistema da invenção poderia também ser aplicado como um dispositivo de mão no ar. Para este propósito o dispositivo poderia conter um sistema transdutor único se o modo de aplicação é verificação local.. Para propósitos de varredura uma matriz seria provavelmente mais apropriada. As áreas de aplicação poderíam ser verificações locais/varredura de casos de navio a partir dos tubos fora da costa ou na costa e tanques de armazenagem a partir da parte de fora. Em vez de aplicar o sistema de invenção para varredura de espessura das paredes do tubo ou contentores, o mesmo sistema será aplicável para caracterizar paredes do tubo se a espessura e velocidade do som dessas paredes são conhecidas. Esta caracterização 5 podería ser detectar desvios de uma perfeita parede do tubo. Um exemplo estaria dentro da caracterização de varredura de tubo ascendente. Uma outra aplicação será boa inspeção de cortes/buracos durante a produção. A espessura do invólucro será medida, assim como caracterização do meio de fora do invólucro, e.g diferenciação entre concreto e gás ou fluido.

REFERÊNCIAS

Número de Publicação Internacional: WO 01/83122 Al Method and apparauts for equalising transfer functions of linear electroacoustic systems.

Mahesh C. Bhardwaj: Non-contact ultrasound: The last 15 frontier in non-destructive testing e evaluation, publicado na world wide web páginahttp://www.ultragroup. com/Companv/Pubrications/PDF/esml.pdf

Claims (21)

1. Método para operar um dispositivo eletroacústico adaptado para operação em um espaço preenchido com gás e de um primeiro lado de um objeto a ser medido para fazer uma medição de espessura ultrassônica sem contato do dito objeto ou para fazer uma caracterização ultrassônica sem contato de um meio localizado em um lado oposto do dito objeto, o método incluindo prover o dito dispositivo compreendendo um dispositivo transdutor eletroacústico, um dispositivo transceptor eletrônico conectado ao dispositivo transdutor eletroacústico e sendo adaptado para excitar o dispositivo transdutor eletroacústico para emitir um sinal acústico em direção ao dito objeto e para receber um sinal de resposta acústico, portanto, e um processador de sinal adaptado para processar o sinal de resposta e para determinar com base no sinal de resposta acústico, a característica da espessura do dito objeto a ser medido, o dispositivo transdutor eletroacústico tendo uma interface transdutor acústicogás, e prover o dispositivo transceptor sendo adaptado para acionar o dispositivo transdutor eletroacústico para emitir em um espaço preenchido com gás entre o dispositivo transdutor eletroacústico e o dito objeto a ser medido, um pulso de banda larga acústico na direção do dito objeto e para receber um sinal de resposta de ressonância acústico no sinal de resposta acústico em um nível que permite a aquisição do sinal de resposta de ressonância acima de um nível sinal/ruído predeterminado, emitir do transceptor o dito sinal de resposta acústico recebido como um vetor de tempo digitalizado, prover o dito processador de sinal com uma entrada para o dito vetor de tempo e uma entrada para parâmetros de entrada, realizar no processador de sinal uma análise de frequência de tempo com base no vetor de tempo para identificar o tempo da energia máxima e a

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2/12 partir disto um comprimento de janela de tempo para estimativa espectral determinando o tempo de partida da cauda de ressonância, e uma matriz de potência, vetor de tempos, e um vetor de frequências, e para gerar uma estimativa de espessura com base no vetor de tempo, parâmetros de entrada e uma saída das análises de frequência do tempo, executando no processador de sinal as etapas de:

a) identificação de eco primário,

b) estimativa espectral estimando conteúdos de potência de frequência do sinal de tempo, caracterizado pelo fato de:

c) identificação de frequência de ressonância através da identificação de frequências de harmônico compreende identificação de frequências de harmônicos e atribuição da ordem de harmônico correta a elas, com vetor de frequências de cauda, vetor de frequências de eco, vetor de frequências de biespectro, e intervalo de frequência usados no transceptor como entradas, e emitir índice em vetores de tempo e frequência correspondendo às frequências de ressonância, ordens de harmônicos, e emitir candidatos de frequência de harmônico, o método compreendendo ainda encontrar local máximo no vetor de biespectro e o vetor de potência de cauda, e encontrar local mínimo no vetor de potência de eco, em que uma união dos três conjuntos é a lista de candidatos de frequência de harmônico potencial, com o vetor de potência de eco, vetor de potência de cauda, e vetor de biespectro como entradas, e ponderação de máximo/mínimo com candidato de frequência de harmônico, vetor de potência de eco, vetor de potência de cauda, vetor de biespectro, e tamanho de filtro como entradas, através de

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3/12 cl) inicializar vetores de pesos com valores zero exceto em candidatos de frequência de harmônicos, onde o valor dos vetores de potência é usado para biespectro e cauda, em que os vetores de peso são normalizados para o maior valor em cada caso, por exemplo, todos os pesos das frequências candidatas de biespectro são normalizados para o valor máximo no vetor de biespectro, e subtrair vetor de potência de eco com sua versão filtrada, a diferença no local mínimo definindo o peso neste caso, e c2) normalizar para a maior diferença encontrada, deixando disponível três conjuntos de pesos, pesos de biespectro W_bisp, pesos de cauda W_cauda, pesos de eco W_eCo, cada um normalizado tal que o maior peso seja 1, e c3) para cada conjunto, escalonar os pesos por

Wj (0=^wj (0Π ^exp(^_í/*) k*j onde d_k é a distância mais curta para um peso não zero no conjunto k, e Wj (i) é o i-ésimo elemento do j-ésimo conjunto, e c4) somar os pesos de cada conjunto para obter um único vetor de peso, em que vetor de peso subsequente fornece peso para grandes picos/mínima profundidade nos respectivos vetores de potência, mas penaliza cada peso se ele estiver longe das frequências nos outros conjuntos, e em que os pesos são números reais entre 0 e 1, e emitir pesos atribuídos a cada candidato de frequência de harmônico e atribuir a ordem de harmônico correta a eles, e c5) caracterização do objeto através da computação da espessura do objeto com base na velocidade do som no dito objeto, o número inteiro indicando a ordem do harmônico e a frequência de ressonância da ordem do harmônico, e o cálculo da média.

2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de

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4/12 que a etapa de identificação de eco primário compreende determinar o ponto no tempo correspondente à energia de pulso maior, e usar largura esperada de eco primário para determinar partida e parada do eco, com vetor de tempo e as larguras esperadas do eco primário como entradas, e emitir os tempos de partida e parada de eco.

3. Método de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a etapa de estimativa espectral inclui estimar o conteúdo da potência de frequência do vetor de tempo, com vetor de tempo, método de estimativa espectral, tempos de partida e parada para análise, função de janela, duração de janela de tempo para estimativa espectral, N, e frequência de amostragem, Fs, como entradas, usando uma técnica padrão, a partir de métodos com base em periodograma para métodos paramétricos, tal como, por exemplo, usando o modelo Yule-Walker, cuja estimativa é realizada em duas janelas, uma janela compreendendo a cauda somente, partindo do fim do eco e durando até o fim do eco + N, e uma compreendendo o eco e sua cauda, partindo no tempo de partida do eco -N e durando até o fim do eco + N, e no qual biespectro, o espectro dos acumulantes de terceira ordem, é correspondentemente computado usando técnicas padrão, e emitir vetor de potência de cauda, e vetor de frequências correspondentes a valores de potência, vetor de eco de potência, um vetor de frequências correspondente aos valores de potência, matriz de biespectro, e frequências correspondentes.

4. Método de acordo com a reivindicação 1, 2 ou 3, caracterizado pelo fato de que a caracterização do dito objeto compreende computar a espessura de objeto a partir de:

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5/12 onde c₀ é a velocidade do som no dito objeto, n é um número inteiro indicando a ordem do harmônico, f_res é a frequência de ressonância da ordem do harmônico n, e <·> indica o cálculo da média, com c₀, frequências de ressonância, e ordens de harmônico como entradas, e emitir estimativas de espessura.

5. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente a identificação de eco secundário para determinar se dois conjuntos de ecos são sobrepostos no sinal de tempo, que indica que uma camada de líquido está presente entre o transceptor e o dito objeto, cujo eco secundário é parte do pulso originalmente emitido a partir do transceptor que é transmitido para a interface líquido-gás, e adicionalmente através do dito líquido sendo refletido do dito objeto, e finalmente transferido para a interface líquido-gás, cujo eco secundário é suposto ter uma extensão temporal similar a do eco primário e mostrar-se atrasado em relação ao eco primário, e cujo eco secundário contém informação do objeto, e em que a análise adicional é feita com base neste eco ao invés do eco primário, com o vetor de tempo, tempos de partida e parada do eco primário, e a proporção mínima de energia de pico dos ecos primário e secundário como entradas, e emitir os tempos de partida e parada do eco secundário, e retomar valores vazios se nenhum eco secundário for encontrado.

6. Método de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de compreender adicionalmente determinar se líquido está presente, com tempos de

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6/12 partida e parada do eco secundário como entrada, e se as ditas entradas estiverem vazias, continuar a estimativa com o eco primário para determinar janelas utilizadas para análise, e se as entradas não estiverem vazias, assume-se o líquido como presente e a análise prossegue usando o eco secundário como base para determinar janelas de tempo relevantes, e emitir se o eco secundário foi encontrado ou não.

7. Método de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de compreender adicionalmente determinar uma profundidade da camada de líquido, com tempos dos ditos ecos primário e secundário, e a velocidade do som c_w no líquido como entradas, a partir da diferença de tempo entre os ecos primário e secundário, em que a profundidade da camada de líquido é computada por:

t —t · sec prim com t_sec e tpnm sendo o tempo de chegada do pulso secundário e do pulso primário, respectivamente, e emitir profundidade estimada de camada de líquido.

8. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente determinar os tempos de decaimento de característica para frequências de ressonância na cauda, com matriz de potência de frequência de tempo, índices de frequências de ressonância, e tempo de partida da cauda como entradas, e emitir tempos de decaimento de frequência de ressonância.

9. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente determinar a energia de frequências de ressonância, com vetor de potência da cauda, vetor de

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7/12 potência de eco, e índices de frequências de ressonância como entradas, e emitir a proporção da potência nas frequências de ressonância para a potência total no pulso de eco.

10. Método de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente a classificação de acordo com pesos, com pesos e candidatos de frequência de harmônico como entradas, classificando o vetor de pesos, e utilizando os índices de classificação para rearranjar os candidatos de frequência de harmônico de tal forma que eles sejam listados em ordem ponderada decrescente, e emitir os candidatos classificados de frequência de harmônico.

11. Método de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente construir conjuntos de frequência, com candidatos classificados de frequência de harmônico, pesos, e um limite de peso de frequência como entradas, por:

a) rejeitar todas as frequências candidatas abaixo do limite, e

b) rearranjar candidatos de frequência em conjunto, no qual, se houver N candidatos, em seguida, construir N listas {fi ,..., f_N}, {fi ,..., f_n-i}, e assim por diante, onde a menor frequência ponderada na lista anterior é progressivamente removida, e cada lista é doravante conhecida como um conjunto de frequência, e emitir o conjunto de frequência {F_b F₂ ,..., F_N}.

12. Método de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de compreender adicionalmente encontrar um conjunto ótimo de frequências como o subconjunto ótimo da lista de frequência original, com o vetor φ para o número máximo de conjunto único, o número de frequências em cada conjunto de frequência, e um conjunto de matrizes reduzidas de número inteiro {Ni, N₂ ,..., N_n} como entradas, em que o subconjunto ótimo é encontrado por encontrar

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8/12 a maior proporção de φ dividida pelo número de frequências na lista, enquanto este considera o caso trivial para somente uma única frequência, pelo que é obtida uma rejeição de frequências, e um conjunto de harmônicos obtido, e emitir índices para subconjuntos ótimos de frequências, e conjuntos de harmônicos.

13. Método de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de compreender adicionalmente contar número de harmônicos em N_Í5 com o conjunto de matrizes reduzidas de número inteiro {N_b N₂ N_n} como entrada, em que para cada N_n, os conjuntos de harmônicos com o maior número de frequências únicas são registrados, e o número é armazenado em um vetor φ, e emitir vetor φ de número máximo de conjuntos únicos.

14. Método de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que a construção de um conjunto de frequências compreende fazer um ciclo fechado através de todos os conjuntos, i = 1 ,..., N.

15. Método de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de compreender adicionalmente encontrar o conjunto de harmônicos, com o conjunto de frequência {F₍, F₂ ,...,F_N}, tolerância de número inteiro, espessura máxima esperada, e intervalo de frequência utilizado no transceptor como entrada, em que os conjuntos de harmônicos para uma lista de frequência Fj são computados como a seguir:

inicialmente uma matriz n*n preenchida com todas as proporções possíveis de frequências é encontrada,

f.

M'.· = — fi matriz M’ é usada para construir uma matriz M maior concatenando kM’, k = 1, 2 ,..., k_max como a seguir:

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1·Μ’ em que o número inteiro k_max é computado a partir da espessura máxima permitida, uma entrada de usuário, e a etapa seguinte é rodear todos os elementos em M para seu mais próximo inteiro, e comparar a diferença entre os valores inteiros e as proporções de frequência em M, em que um elemento é considerado um número inteiro se esta diferença for menor do que um limite especificado do usuário, tipicamente 0,1, e a matriz N onde todos os elementos não inteiros em M igual a zero se encontrada, e em que as linhas em N identificam os conjuntos de harmônicos: para um dado elemento Ny, o valor corresponde à ordem do harmônico da frequência fj na lista de frequência, e emitir um conjunto de matrizes de número inteiro {N_b N₂ ,...,N_n}.

16. Método de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de compreender adicionalmente remover elementos em N_n, pelo que as matrizes de ordem de harmônico N_n são reduzidas significantemente removendo linhas contendo um valor acima da ordem máxima k_max, com um conjunto de matrizes de número inteiro {N_b N₂ ,..., N_n}, espessura máxima esperada, e intervalo de frequência utilizados no transceptor como entradas, pelo que todas as linhas duplicadas são removidas, e as linhas que resultam em uma espessura acima do valor máximo de entrada do usuário são removidas, e emitir um conjunto de matrizes reduzidas de número inteiro {N_b N₂,..., N_n}.

17. Aparelho eletroacústico adaptado para operar em um espaço preenchido com gás e de um primeiro lado de um objeto a ser medido para fazer uma medição de espessura ultrassônica sem contato do objeto a ser medido ou para fazer uma caracterização ultrassônica sem contato de um meio localizado

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10/12 em um segundo lado do objeto a ser medido, o aparelho utilizando o método como definido na reivindicação 1 e compreendendo um meio transdutor eletroacústico, um meio transceptor acoplado com o meio transdutor eletroacústico e adaptado para excitar o meio transdutor eletroacústico para emitir um sinal acústico na direção do objeto a ser medido e receber um sinal de resposta acústico do mesmo, e um processador de sinal adaptado para processar o sinal de resposta e para determinar com base no sinal de resposta acústico uma característica da espessura do objeto a ser medido, caracterizado pelo fato de que:

o meio transdutor eletroacústico tem uma interface acústica de transdutor-para-gás, o transceptor é adaptado para operar o meio transdutor eletroacústico, de modo a emitir em um espaço preenchido com gás entre o meio transdutor eletroacústico e o objeto a ser medido, um pulso de banda larga acústico na direção do objeto e para receber o sinal de resposta de ressonância acústico no sinal de resposta acústico em um nível que permite uma aquisição do sinal de resposta de ressonância acima de um nível de sinal para ruído predeterminado, e emitir do transceptor dito sinal de resposta acústico recebido como um vetor de tempo digitalizado, provendo dito processador de sinal com uma entrada para o dito vetor de tempo e uma entrada para parâmetros de entrada, e o processador de sinal sendo adaptado para fazer uma análise de frequência de tempo com base no vetor de tempo para identificar o tempo da energia máxima e a partir disto, um comprimento de janela de tempo para estimativa espectral, encontrando o tempo de partida da cauda de ressonância, uma matriz de potência, um vetor de tempo e um vetor de frequência (em Hz), e para prover uma estimativa de espessura com base no vetor de tempo e uma técnica de estimativa de espectro, uma duração da janela de tempo para a

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11/12 estimativa de espectro, e uma frequência de amostragem, o processador de sinal sendo adaptado para realizar as etapas de:

a) identificação de eco primário,

b) uma estimativa espectral através da estimativa de conteúdos de potência de frequência do sinal de tempo,

c) identificação de frequências de ressonância através da identificação de frequências de harmônico e atribuição da ordem correta de harmônico para os mesmos, e

d) caracterização do dito objeto pela computação de uma espessura de objeto com base na velocidade do som no dito objeto, o número inteiro indicando a ordem do harmônico, e a frequência de ressonância da ordem do harmônico, e cálculo da média.

18. Aparelho de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que o meio transceptor conectado ao meio transdutor eletroacústico é adaptado para operar com sinais acústicos tendo componentes acústicos em um arranjo de frequência sendo pelo menos uma década inferior às frequências usadas no tempo de medições de voo no dito objeto a ser medido.

19. Aparelho de acordo com a reivindicação 17 ou 18, caracterizado pelo fato de incluir um dispositivo transportador de transdutor sendo adaptado para manter o espaço preenchido com gás entre o transdutor e o dito objeto a uma distância predeterminada de uma superfície do dito objeto que está voltada para o espaço preenchido com gás.

20. Aparelho de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de o dispositivo transportador de transdutor ser adaptado para transportar o transdutor eletroacústico ao longo de uma superfície de dito objeto voltada para o espaço preenchido com gás.

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21. Aparelho de acordo com qualquer uma das reivindicações 17 a 20, caracterizado pelo fato de que os ditos parâmetros que compreendem o sinal de resposta acústico, uma velocidade do som de dito objeto, duração de uma janela de tempo para estimativa espectral, uma largura esperada de eco primário sem cauda de ressonância, métodos de estimativa espectral, uma velocidade de som em líquido, uma seleção de funções de janela, uma frequência de amostragem, um intervalo de frequência utilizado no transceptor para um limite de espessura superior esperado, uma proporção mínima entre as energias de topo em ecos primário e secundário, um número de conjuntos de dados em memória de referência, tolerâncias de número inteiro, e um limite de frequência inferior.