BRPI1105884B1 - Método para operação de um sistema de detecção de metal e sistema de detecção de metal - Google Patents
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Abstract
método para operação de um sistema de detecção de metal e sistema de detecção de metal. a presente invenção refere-se a um método para operação de um sistema de detecção de metal (1) que compreende um sistema de bobina equilibrada com uma bobina transmissora (4) que é conectada a uma unidade transmissora (3) que gera sinais de transmissor tendo uma frequência de transmissor que é selecionada de um grupo de pelo menos duas frequências de transmissor, e com uma primeira e uma segunda bobinas receptoras (6, 7) que fornecem sinais de saída à entrada de sinal de pelo menos uma unidade amplificadora (14, 15) incluída em uma unidade receptora (5) cujos sinais de saída compensam uns aos outros de modo que o sistema fique em equilíbrio, caracterizado pelo fato de que uma unidade de controle (16) gera um sinal de controle de acordo com a frequência do transmissor da unidade transmissora (3) e que é fornecido à entrada de controle de pelo menos uma unidade de impedância controlável (12, 13) que é acoplada à entrada de sinal da pelo menos uma unidade amplificadora (14, 15), em que o sinal de controle fica controlando o valor de impedância da unidade de impedência controlável (12, 13) de tal modo que o valor de impedância seja aumentado ou diminuído quando a frequência do transmissor for aumentada ou diminuída.
Description
DO PARA OPERAÇÃO DE UM SISTEMA DE DETECÇÃO DE METAL E SISTEMA DE DETECÇÃO DE METAL.
[001] A presente invenção refere-se a um método para operação de um sistema de detecção de metal e a um sistema de detecção de metal operando de acordo com este método.
[002] Na indústria onde maquinaria está envolvida na produção de bens, há sempre uma probabilidade que um pedaço de metal, tal como um parafuso com porca ou parafuso sem porca, solte da maquinaria, e por fim acabe no produto processado. Portanto, sistemas de detecção de metal são usados em vários estágios de um processo de produção para detectar produtos que são contaminados por metal. Sistemas de detecção de metal são também frequentemente usados para inspecionar produto acabado, para assegurar padrões de segurança e de qualidade aos consumidores.
[003] Os sistemas de detecção de metal mais modernos utilizam uma cabeça de pesquisa compreendendo um sistema de bobina equilibrada que compreende três bobinas, uma bobina transmissora e duas bobinas receptoras que estão alinhadas em paralelo. Durante o processo de inspeção, o produto, tipicamente transportado em uma correia de transporte, é passado através das bobinas do sistema de bobina equilibrada. Na bobina transmissora, que é colocada entre as bobinas receptoras, flui uma corrente elétrica que gera um campo magnético alternado que induz um sinal elétrico nas duas bobinas receptoras. As bobinas receptoras são posicionadas simetricamente à bobina transmissora, de modo que os sinais idênticos são induzidos em ambas as bobinas receptoras quando nenhum produto estiver presente no sistema de bobinas equilibradas. Além disso, as bobinas receptoras são acopladas juntas em uma tal maneira que os sinais induzidos nas mesmas são subtraídos uns dos outros. Naquele modo,
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2/21 quando nenhum produto estiver presente no sistema de bobina equilibrada, há um sinal zero na saída das bobinas receptoras. Porém, um pedaço de material magneticamente e/ou eletricamente condutivo que passa pelo sistema de bobina equilibrada perturbará o campo magnético e causará modificações do sinal elétrico que é induzido nas bobinas receptoras. Estas perturbações ocorrem primeiro na primeira bobina receptora e depois na segunda bobina receptora, quando o produto chega nas mesmas. Como resultado, um sinal elétrico com uma fase e amplitude específicas aparecerá na saída das bobinas receptoras, quando o produto passar pelo sistema de bobina equilibrada. Cada material magnético e/ou condutivo que passar pelo sistema de detecção de metal cria um sinal diferente, de acordo com sua co ndutividade, sua permeabilidade magnética, sua forma, seu tamanho e sua orientação com relação às bobinas receptoras.
[004] Para detectar a presença de metal no produto, os sinais induzidos nas bobinas receptoras são processados no estágio de receptor que tipicamente compreende um amplificador de entrada. Em um outro estágio, os sinais processados são analisados em fase e amplitude para detectar contaminação de metal. Por fim, os resultados são exibidos em uma interface do usuário e/ou sinalizados para o sistema de controle.
[005] Vários tipos de metais que são usados na maquinaria, incluindo ferrosos (ferro), não ferrosos (por exemplo, cobre, alumínio, bronze) e vários tipos de aço inoxidável, podem aparecer como contaminante em um produto processado. Se um tal metal tiver uma permeabilidade magnética alta, como ferrita, que será primariamente reativo, que significa que sua fase de sinal estará perto de zero, enquanto um metal com uma baixa permeabilidade magnética será primariamente resistivo e terá uma fase de sinal perto de 90 graus com relação à fase do sinal de transmissor. Metais ferrosos são facilmente detectáPetição 870190093705, de 19/09/2019, pág. 5/35
3/21 veis por causa de sua diferença de fase pequena com o sinal do transmissor. Materiais contaminantes com uma condutividade alta podem ser facilmente detectados se o produto inspecionado estiver seco. Por outro lado, metais não ferrosos e particularmente aço inoxidável são difíceis de detectar em produtos molhados uma vez que sua fase é similar à fase do produto.
[006] Porém, nem todo metal que passa por um sistema de detecção de metal é um contaminante, uma vez que pode fazer parte da embalagem do produto. Durante a inspeção, o produto está frequentemente em seu estado final e já embalado. Pode ser embrulhado em um filme metalizado, tipicamente um filme plástico revestido com alumínio. Este metal eletricamente condutivo da embalagem do produto cria um sinal no sistema de detecção de metal que não deve ser confundido com um sinal causado por um contaminante de metal. Consequentemente para detectar um produto contaminado, é requerido que o sistema de detecção de metal seja capaz de distinguir entre os sinais que originam do material de embalagem e os sinais que originam dos contaminantes de metal.
[007] Ainda, nem todas as perturbações do campo magnético das bobinas receptoras são causadas por produtos e contaminantes de metal percorrendo através do sistema de bobina equilibrada. Vibrações de um material condutivo próximo do sistema de bobina equilibrada também causam alterações de sinal nas bobinas receptoras que necessitam ser distinguidas dos sinais causados por produtos contaminados. Sinais causados por vibrações estão primariamente em fase com o sinal de transmissor.
[008] Produtos alimentícios como queijo, carne fresca, pão quente, geleia e pepinos em conserva são, em geral, eletricamente condutivos se eles contiverem água, sal ou ácido. Portanto, tais produtos percorrendo através do sistema de bobina equilibrada também perturbam
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4/21 os campos magnéticos, desse modo causando um sinal na saída das bobinas receptoras. Para evitar uma falsa rejeição de um produto, o sinal do produto necessita ser compensado ou eliminado.
[009] Consequentemente, para uma inspeção segura do produto, os sinais causados pelas vibrações, pelo produto e pela embalagem têm que ser eliminados de modo que apenas os sinais que são causados pelos contaminantes de metal sejam considerados. Porém, foi descoberto que a fase e a magnitude dos sinais causados pelo produto e pelos contaminantes de metal dependem da frequência aplicada do transmissor.
[0010] Em sistemas conhecidos, a frequência do transmissor é, portanto, selecionável em um tal modo que a fase dos componentes de sinal dos contaminantes de metal estará fora de fase com o componente de sinal do produto.
[0011] US5994897A, por exemplo, revela um aparelho que é capaz de comutar entre pelo menos duas frequências de transmissor diferentes de modo que qualquer partícula de metal em um produto estará sujeita à varredura em frequências diferentes. A frequência de operação é alterada rapidamente de modo que qualquer partícula de metal que passa em uma correia de transporte será varrida em dois ou mais frequências diferentes. No evento que para uma primeira frequência do transmissor o componente de sinal causado por uma partícula de metal está perto da fase do componente de sinal do produto e desse modo é mascarado, então é assumido que para uma segunda frequência, a fase do componente de sinal causada pela partícula de metal diferirá da fase do componente de sinal do produto de modo que estes componentes de sinal podem ser distinguidos. Comutando entre muitas frequências, é esperado que uma frequência proveja uma sensibilidade adequada por qualquer tipo, tamanho e orientação de metal particular.
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5/21 [0012] Porém, sistemas de detecção de metal que operam em frequências diferentes tipicamente têm uma sensibilidade mais baixa que os sistemas que são ajustados em uma frequência simples.
[0013] Consequentemente, embora os sinais de contaminantes de metal possam ser obtidos com uma fase desejável, a detecção destes sinais ainda pode falhar devido à baixa sensibilidade do sistema de detecção de metal.
[0014] A presente invenção é, portanto, com base no objetivo de prover um método melhorado para operar um sistema de detecção de metal que usa duas ou mais frequências de transmissor como também no objetivo de fornecer um sistema de detecção de metal que opera de acordo com este método.
[0015] Particularmente, a presente invenção é com base no objetivo de fornecer um método que permite detectar contaminantes de metal, particularmente contaminantes de aço inoxidável, com sensibilidade alta, enquanto os sinais causados pelo produto, pela embalagem, vibrações ou outras perturbações potenciais são suprimidos ou eliminados.
[0016] Mais particularmente, a presente invenção é com base no objetivo de prover um método melhorado para um sistema de detecção de metal que permite a seleção de numerosas frequências de transmissor, preferivelmente com etapas pequenas na faixa de alguns kHz a 1 MHz, ou que gera sinais quadrados de onda compreendendo um número grande de harmônicos, para os quais sinais com uma fase desejável podem ser obtidos para os contaminantes de metal.
[0017] Os objetivos acima e outros da presente invenção são alcançados com um método melhorado para operar um sistema de detecção de metal como definido na reivindicação 1 e com um sistema de detecção de metal operando de acordo com este método como definido na reivindicação 8.
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6/21 [0018] O sistema de detecção de metal compreende um sistema de bobina equilibrada com uma bobina transmissora e uma primeira e uma segunda bobina receptora. A bobina transmissora é conectada a uma unidade transmissora que gera sinais do transmissor tendo uma frequência de transmissor que é selecionada de um grupo de pelo menos duas frequências de transmissor. A primeira e a segunda bobina receptora, que são acopladas entre si, fornecem sinais de saída à entrada de sinal de pelo menos uma unidade amplificadora fornecida em uma unidade receptora. Devido ao arranjo simétrico das bobinas receptoras com respeito às bobinas transmissoras e devido ao sentido inverso do enrolamento, os sinais induzidos nas bobinas receptoras compensam uns aos outros na ausência de uma influência externa, tal como um produto, com ou sem contaminação, ou outras perturbações tais como vibrações. Neste estado equilibrado, o sinal de saída combinado das bobinas receptoras é zero.
[0019] De acordo com a invenção, uma unidade de controle fornece um sinal de controle dependendo da frequência do transmissor da unidade transmissora à entrada de controle de pelo menos uma unidade de impedância controlável. Esta unidade de impedância controlável é acoplada à entrada de sinal da pelo menos uma unidade amplificadora, em que o sinal de controle está controlando o valor de impedância da unidade de impedância controlável em um tal modo que o valor de impedância é aumentado ou diminuído de acordo com a frequência selecionada do transmissor.
[0020] Variando adequadamente a impedância de entrada aplicada à entrada do amplificador de acordo com a frequência do transmissor selecionada, a sensibilidade do sistema de detecção de metal para metais de contaminante é significativamente melhorada. Ao mesmo tempo, um ângulo de fase de sinais que originam do filme metalizado dos materiais de embalagem é mantido perto de 90° em qualquer moPetição 870190093705, de 19/09/2019, pág. 9/35
7/21 mento.
[0021] Em uma modalidade preferida da presente invenção, as bobinas receptoras são acopladas diretamente à entrada da unidade amplificadora por meio da unidade de impedância controlável. Em outra modalidade, as bobinas receptoras são acopladas aos enrolamentos primários de um transformador de entrada cujos enrolamentos secundários são acoplados por meio da unidade de impedância controlável à entrada da unidade amplificadora. O transformador de entrada é usado para galvanicamente isolar a unidade amplificadora das bobinas receptoras. Ainda, com uma razão de transmissão fixa ou variável, um nível de voltagem desejável pode ser ajustado do sinal de entrada.
[0022] Em uma modalidade preferida, as bobinas receptoras são conectadas com uma cauda uma à outra e com a outra cauda às respectivas caudas dos dois enrolamentos primários com rosca central idênticos de um transformador equilibrado. O transformador de entrada equilibrado tem dois enrolamentos secundários com rosca central idênticos cujas caudas opostas são conectadas à entrada do amplificador por meio da unidade de impedância controlável.
[0023] Em uma outra modalidade da invenção, a unidade de impedância controlável compreende um transistor ou um relé. O transistor pode ser empregado como um interruptor para conectar e desconectar um resistor ao ou do circuito do amplificador de impedância de entrada. Em modalidades alternativas, um relé pode ser conectado em paralelo ou em série com um resistor para variar o valor de resistência da unidade de impedância controlável.
[0024] Preferivelmente um valor de impedância de entrada baixo é selecionado para frequências de transmissor baixas e um valor de impedância mais alto é selecionado para frequências de transmissor mais altas. Com frequências de transmissor na faixa 1 kHz a 300 kHz uma impedância de entrada na faixa entre 10 Ohm e 100 Ohm, mais
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8/21 preferivelmente perto de 20 Ohm tal como 22 Ohm, permite ajustar a fase do sinal que origina do filme metalizado do material de embalagem para cerca de 90°. Para frequências de transmissor acima de 300 kHz, uma impedância de entrada baixa desfavoravelmente afetaria a sensibilidade dos sinais de contaminantes de metal. Portanto aumentando o valor de impedância de entrada, a frequência de expansão do filtro passa-baixa formada pela bobina de cabeça e pela unidade de impedância controlável é também aumentada, e o ganho na frequência requerida é preservado. Isto pode ser percebido com a seleção da impedância de entrada acima de 100 Ohm, mais preferivelmente perto de 300 Ohm, tal como 330 Ohm.
[0025] Em um segundo aspecto básico da invenção, o sinal de saída das bobinas receptoras é amplificado e depois filtrado por meio de uma unidade de filtro variável compreendendo pelo menos um filtro cuja frequência central e largura da banda de filtro são adaptadas à frequência do transmissor selecionada, que representa um sinal portador que foi modulado pelos sinais do produto e pelos contaminantes de metal.
[0026] Aplicando filtros às frequências de transmissor selecionadas, isto é, frequências de veículo, leva a uma melhoria significativa adicional da sensibilidade do sistema de detecção de metal.
[0027] Especialmente em frequências abaixo de 300 kHz, onde o sistema de detecção de metal conhecido tipicamente teve uma sensibilidade ruim e uma resposta de fase desfavorável dos sinais derivados do filme de metal de embalagem, a solução inventiva fornece vantagens significativas. Os filtros passa-banda apropriados favoravelmente permitem restabelecer a fase dos sinais derivados do filme metalizado do material de embalagem para 90 graus. Especialmente com uma frequência de sinal de transmissor de 100 kHz, um filtro com uma frequência de expansão de 200 kHz, e para frequência de sinal de
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9/21 transmissor de 200 kHz e 300 kHz um filtro com uma frequência de expansão de 400 kHz pode alcançar a maioria dos resultados favoráveis que significa que traz a fase dos sinais derivados do filme metalizado do material de embalagem muito perto de 90 graus.
[0028] Com um filtro passa-banda, favoravelmente um filtro passabaixa, o conteúdo das frequências harmônicas do sinal de receptor pode ser removido, os sinais dentro da largura de banda são amplificados, e a fase de sinais derivada do filme de metal de embalagem pode ser corrigida para perto de 90 graus. Por conseguinte, este sinal pode ser facilmente suprimido. Os filtros passa-banda aplicados melhoram o desempenho de fase dos sinais derivados de filme de metal de embalagem em todas as frequências, mas a combinação do filtro passa-banda e um valor de impedância baixo da unidade de impedância controlável fornece resultados até melhores em frequências abaixo de 300 kHz.
[0029] Em uma modalidade preferida, circuitos dedicados são usados para amplificar cada sinal com um ganho diferente que depende daquela fase de sinal com relação à fase da fase de sinal de transmissor. Com esta medida, uma melhoria da sensibilidade do sistema de detecção de metal particularmente para materiais de aço inoxidável e uma redução da sensibilidade para perturbar as vibrações pode ser alcançada.
[0030] Com os métodos acima que podem vantajosamente ser usados independentemente ou em combinação, os sinais que originam do filme metalizado dos materiais de embalagem podem ser reduzidos enquanto os sinais que originam dos contaminantes de metal podem ser detectados com sensibilidade mais alta.
[0031] As medidas inventivas permitem a frequência selecionada do transmissor do sinal recebido passar para os detectores sensíveis à fase, enquanto os sinais resultantes da distorção harmônica são suPetição 870190093705, de 19/09/2019, pág. 12/35
10/21 primidos.
[0032] Para uma correção de fase mais precisa, a unidade amplificadora de entrada compreende mais de dois valores de impedância selecionáveis. O filtro pode ser feito com um filtro Butterworth, Chebyshev, Bessel, Cauer ou outros filtros passa-baixas e pode ser de uma primeira ordem ou mais alta. Cada filtro tem uma frequência de expansão diferente e é preferivelmente aplicado por meio de um interruptor, por exemplo, um multiplexador que é controlado de acordo com a frequência selecionada do transmissor de modo que o filtro aplicado remove o conteúdo harmônico do sinal de receptor. Com uma frequência do transmissor acima de 300 kHz, o sinal da embalagem de filme metalizado pode ser obtido com uma fase perto de 90 graus que significa que pode ser facilmente suprimido.
[0033] Para corrigir a fase dos sinais derivados da embalagem de filme metalizado, um filtro passa-baixa é aplicado na trajetória de sinal entre a unidade amplificadora que recebe o sinal de entrada das bobinas receptoras e o detector sensível à fase. O filtro aplicado melhora a fase dos sinais derivados da embalagem de filme metalizado em todas as frequências de transmissor, e reduz as frequências harmônicas nas frequências de transmissor abaixo de 300 kHz.
[0034] Vantajosamente, os filtros passa-baixas são filtros Butterworth de quinta ordem tendo uma resposta de amplitude maximamente plana. Selecionando um filtro de quinta ordem permite obter uma passagem mais limpa entre a banda de passagem e a banda de parada.
[0035] De acordo com outro aspecto da invenção, o amplificador de entrada compreende um circuito de amplificador cascodo bipolar acoplado com um amplificador diferencial. Um amplificador cascodo é estável, e tem, além disso, um ganho alto e linear independentemente da frequência presente. Preferivelmente, o amplificador é um amplifiPetição 870190093705, de 19/09/2019, pág. 13/35
11/21 cador diferencial compreendendo duas unidades de amplificador que amplificam os sinais presentes nas duas caudas opostas dos enrolamentos secundários do transformador de entrada.
[0036] A unidade de controle preferivelmente compreende uma unidade de processamento com um programa de computação que é projetado para selecionar os ajustes da unidade de impedância controlável e/ou ajustes do filtro variável de acordo com o método inventivo. Estes ajustes podem ser selecionados de uma tabela fornecida na unidade de controle, contendo pelo menos um conjunto de frequências de transmissor e ajustes correspondentes a, pelo menos, uma unidade de impedância variável e/ou ajustes correspondentes à unidade de filtro variável.
[0037] Algumas dos objetivos e vantagens da presente invenção foram declarados, outros surgirão quando a descrição seguinte for considerada junto com os desenhos em anexo em que:
[0038] figura 1 mostra um diagrama de blocos básico de um sistema de detecção de metal inventivo em uma modalidade preferida;
[0039] figura 2 mostra um diagrama de blocos mais detalhado de um sistema de detecção de metal e em particular da unidade receptora;
[0040] figura 3 mostra um diagrama esquemático da unidade de impedância controlável;
[0041] figura 4 mostra um diagrama esquemático de um amplificador cascodo bipolar;
[0042] figura 5 mostra um diagrama esquemático de um amplificador diferencial;
[0043] figura 6 mostra um diagrama de blocos da unidade de filtro variável; e [0044] figura 7 mostra um diagrama esquemático de uma unidade de filtro.
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12/21 [0045] A figura 1 mostra um diagrama de blocos de um sistema de detecção de metal inventivo 1 que essencialmente compreende uma unidade transmissora 3, um sistema de bobina equilibrada 4, 6, 7, uma unidade receptora 5 e uma unidade de processamento de sinal.
[0046] O sistema de bobina equilibrada compreende uma bobina transmissora 4 e duas bobinas receptoras 6, 7 enroladas em uma estrutura não metálica, cada precisamente paralelas umas com as outras. A bobina central é a bobina transmissora 4 que é colocada precisamente equidistante das bobinas receptoras idênticas 6, 7. A unidade transmissora 3 gera uma corrente elétrica de frequência alta que circula através da bobina transmissora 4. A corrente fluindo através da bobina transmissora 4 gera um campo magnético que induz correntes idênticas nas bobinas receptoras vizinhas 6, 7. As bobinas receptoras 6, 7 são conectados em oposição, isto é, ambos enrolamentos são enrolados em direções inversas, de modo que as correntes induzidas nas bobinas receptoras 6, 7 fluem em direções opostas, e desse modo se anulam quando nenhum objeto condutivo ou magnético se mover através do sistema de bobina equilibrada.
[0047] Os produtos 2 a serem inspecionados são transferidos através do sistema de bobina equilibrada após o outro, por exemplo, em uma correia de transporte. No evento que um produto 2 contendo um contaminante de metal estiver movendo-se através do sistema de bobina equilibrada, este contaminante de metal perturba o campo magnético primeiro próximo da primeira bobina receptora 6, e depois próximo da segunda bobina receptora 7, desse modo individualmente alterando os sinais induzidos na primeira e na segunda bobina receptora 6, 7. As alterações assimétricas nos sinais induzidos nas bobinas receptoras 6, 7 estão na magnitude de nanovolts. Co nsequentemente para detectar os contaminantes de metal, uma sensibilidade alta é requerida. Na presente invenção, a unidade receptora 5 é consequentePetição 870190093705, de 19/09/2019, pág. 15/35
13/21 mente dedicada à amplificação e processamento de tais sinais para detectar contaminantes de metal até mesmo de tamanho pequeno de vários tipos.
[0048] O sistema de detecção de metal mostrado na figura 2 compreende uma unidade transmissora 3 que fornece um sinal de transmissor à bobina transmissora 4 do sistema de bobina equilibrada. A primeira e a segunda bobinas receptoras 6, 7 do sistema de bobina equilibrada são conectadas aos enrolamentos primários de um transformador de entrada equilibrada 11. Os enrolamentos secundários do transformador de entrada equilibrada 11 são conectados por meio de uma unidade de impedância controlável 12 a uma entrada de uma unidade amplificadora 14. A saída da unidade amplificadora 14 é conectada a uma unidade de filtro variável 17 que pode ser adaptada à frequência selecionada do transmissor, isto é, a frequência de veículo modulada. O sinal portador filtrado é mandado para um detector sensível à fase 18 que fornece o sinal de banda de base demodulado por meio da unidade de filtro 19 a uma unidade de ganho 20. O sinal resultante é enviado para um conversor analógico para digital 21 que fornece um sinal digitalizado a um processador de sinal. A fim de controlar os processos descritos e operar o sistema, o sistema de detecção de metal ainda compreende uma unidade de controle 16 que é conectada a um terminal de computador 22.
[0049] A unidade transmissora 3 está fornecendo um sinal de transmissor com uma frequência de transmissor selecionável, preferivelmente na faixa de alguns kHz a 1 MHz para a bobina transmissora 4 do sistema de bobina equilibrada. Ainda, a unidade transmissora 3 provê um sinal de referência na frequência do transmissor à unidade receptora 18 para propósitos de demodulação.
[0050] As bobinas receptoras 6, 7 são conectadas aos enrolamentos primários com rosca central do transformador de entrada equilibraPetição 870190093705, de 19/09/2019, pág. 16/35
14/21 da 11 que refletem as bobinas receptoras 6, 7. Ainda o transformador de entrada equilibrada 11 compreende dois enrolamentos secundários com rosca central idênticas que são conectados a uma unidade de impedância controlável 12.
[0051] A unidade de impedância controlável 12 aplica um valor de impedância variável à entrada da unidade amplificadora 14. O valor de impedância da unidade de impedância controlável 12 representa a resistência de entrada da unidade amplificadora 14 e define daquele modo o ganho da unidade amplificadora 14. O sinal de receptor amplificado pela unidade amplificadora 14 de acordo com o ajuste da unidade de impedância controlável é fornecido a uma unidade de filtro variável 17 que remove o conteúdo harmônico do sinal de receptor amplificado.
[0052] A unidade de controle 16 provê um primeiro sinal de controle à unidade transmissora 3 para selecionar a frequência do transmissor, um segundo sinal de controle à unidade de impedância controlável 12 para selecionar o valor de impedância de acordo com a frequência selecionada do transmissor e um terceiro sinal de controle à unidade de filtro 17 para selecionar as características do filtro de acordo com a frequência selecionada do transmissor ou uma frequência de veículo.
[0053] Consequentemente, dependendo da frequência selecionada do transmissor, um valor de impedância adequado para a unidade de impedância controlável 12 é selecionado. A unidade de filtro variável 17 pode ser projetada de vários modos. Preferivelmente, a unidade de filtro variável 17 compreende várias entidades de filtro que são dedicadas ao número de frequências selecionáveis do transmissor (vide figura 6). As unidades de filtro são preferivelmente projetadas como filtro passa-banda ou filtros passa-baixas que permitem o sinal portador atravessar para o próximo módulo da cadeia de processamento de sinal. Consequentemente, a entidade de filtro da unidade de filtro variPetição 870190093705, de 19/09/2019, pág. 17/35
15/21 ável 17 é selecionada correspondendo à frequência de transmissor com o sinal de controle recebido da unidade de controle 16.
[0054] O sinal de saída da unidade de filtro variável 17 é fornecido a um detector sensível à fase 18 que demodula o sinal de transmissor e o sinal de receptor amplificado e filtrado. Na saída, ele fornece os componentes de fase interna e de quadratura do sinal de receptor demodulado, com relação ao sinal operacional transmissor demodulado.
[0055] Os sinais de saída do detector sensível à fase 18 é mandado a uma outra unidade de filtro 19 que permite os sinais desejados atravessarem uma unidade de ganho 20 que permite ajustar as amplitudes dos sinais processados para um valor desejado. Subsequentemente, os sinais filtrados e calibrados são convertidos por um conversor analógico para digital 21 da forma analógica para digital. Os sinais do conversor analógico para digital 21 são enviados para um processador de sinal que pode estar localizado na unidade de controle 16. O processador de sinal é programado em um tal modo que os sinais recebidos são processados, analisados e avaliados a fim de suprimir os sinais indesejados e detectar os sinais que originam dos co ntaminantes de metal. Os dados resultantes são depois mandados do processador de sinal e da unidade de controle 16, para um terminal de computador 22 ligado a estes.
[0056] A figura 3 mostra um diagrama esquemático de uma modalidade preferida do estágio de entrada da unidade receptora compreendendo duas unidades de impedância controláveis 12, 13 que são, cada, conectadas na entrada lateral a um terminal do enrolamento secundário centralmente cônico do transformador de entrada equilibrada 11, e no lado de saída lateral ao amplificador de entrada relacionado 14, 15. A rosca central do enrolamento secundário é conectada ao aterramento.
[0057] Cada uma das unidades de impedância controláveis 12, 13
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16/21 compreende um primeiro resistor fixo R1, R2 que está conectado, com uma extremidade ao terminal relacionado do enrolamento secundário e à entrada do amplificador relacionado 14, 15, e com a outra extremidade ao aterramento. Cada uma das unidades de impedância controláveis 12, 13 ainda compreende um segundo resistor R3, R4 que está conectado em um lado ao terminal relacionado do enrolamento secundário e no outro lado a um interruptor S1, preferivelmente um relé ou um transistor que, se atuado, conecta o segundo resistor R3, R4 ao aterramento.
[0058] O relé S1 é controlado pelo segundo sinal de controle que é gerado pela unidade de controle 16 de acordo com a frequência selecionada do transmissor. Trocando o relé S1, o primeiro e segundo resistor R1, R2, R3, R4 podem ser conectados em paralelo ou podem ser desconectados de modo que o valor de impedância das unidades de impedância controláveis 12, 13 varia consequentemente. Por conseguinte, a impedância de entrada e o ganho da unidade amplificadora relacionada 14 ou 15 variam também. Para um ajuste mais preciso, as unidades de impedância controláveis 12, 13 podem compreender mais de dois valores de impedância selecionáveis. Cada unidade de impedância 12, 13 pode compreender bancos de resistores, com um número apropriado de resistores que podem ser individualmente selecionadas ou em combinação para precisamente ajustar os valores de impedância das unidades de impedância controláveis 12, 13.
[0059] A figura 4 mostra a unidade receptora da figura 3 com uma modalidade preferida da unidade amplificadora 14, 15, sem os amplificadores operacionais fornecidos em um segundo estágio.
[0060] O amplificador bipolar cascodo de entrada de diferencial mostrado nesta modalidade preferida é o primeiro estágio das unidades de amplificador 14, 15. Todos os transistores deste esquemático são pnp-transistores. A saída de cada unidade de impedância controPetição 870190093705, de 19/09/2019, pág. 19/35
17/21 lável 12 descrita na figura 3 é conectada à base de um transistor relacionado T3 resp. T4, que é conectado com o emissor por meio de um resistor R5 resp. R6 a uma fonte de corrente constante.
[0061] A fonte de corrente constante compreende um transistor T5 com um resistor R15 entre uma voltagem de provisão de potência +Vcc e seu emissor e dois diodos D1 e D2 entre a voltagem de provisão de potência +Vcc e sua base, e um resistor R16 conectado entre a base e, com seu coletor conectado por meio dos resistores R5. resp. R6 aos transistores T3 resp. T4.
[0062] O transistor T3 resp. T4 com os resistores R5 resp. R6 em seu emissor é configurado como um seguidor de emissor comum. O coletor de transistor T3 resp. T4 é conectado por meio de um resistor R7 resp. R8 ao emissor do transistor T1 resp. T2, que é configurado como um amplificador de base comum. Resistores R11 e R13 resp. 12 e R14 são conectados com uma à base do transistor T1 resp. T2. e com a outra extremidade à extremidade para a voltagem de provisão de potência negativa - Vcc, respectivamente, ao aterramento. O coletor de transistor T1 resp. T2 está por um lado conectado por meio do resistor R9 à voltagem de provisão de potência negativa - Vcc e por outro lado ao segundo estágio do amplificador 14 resp. 15, isto é, à entrada do amplificador operacional relacionado amp1 Op. Dif. resp. amp2 Op. Dif. dos amplificadores 14 ou 15.
[0063] Cada amplificador cascodo forma um amplificador diferencial. O amplificador diferencial é um amplificador simétrico com duas entradas e duas saídas que amplificam a diferença potencial das saídas das unidades de impedância controláveis. Ambos os amplificadores cascodos são conectados a uma fonte de corrente comum formada por transistores T5, através de diodos D1 e D2, de modo que a soma de suas correntes permanece constante. O amplificador diferencial tem a capacidade de amplificar o potencial diferencial entre as duas
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18/21 entradas independentemente da voltagem disponível na conexão com a fonte de corrente formada por transistor T5. Devido à sua saída elétrica e fisicamente separada de sua entrada, a saída do amplificador cascodo é estável, não tem nenhum efeito que limita a largura de banda e, além disso, tem um ganho alto.
[0064] A figura 5 mostra a unidade receptora da figura 3 com uma modalidade preferida do segundo estágio das unidades de amplificador 14 e 15 que são conectadas às saídas do primeiro estágio mostrado na figura 4.
[0065] A primeira entrada do segundo estágio é conectada à entrada não inversora de um amplificador operacional Op.a3 e por meio de um resistor R24 ao aterramento. A entrada inversora do amplificador operacional é conectada à sua saída por meio de um resistor R25, e ao aterramento por meio do resistor R23.
[0066] A segunda entrada do segundo estágio é conectada à entrada não inversora de um amplificador operacional Op.a4 e por meio de um resistor R30 ao aterramento. A entrada inversora do amplificador operacional é conectada à sua saída por meio de um resistor R31, e ao aterramento por meio do resistor R29.
[0067] A entrada não inversora de Op.a5 é conectada ao aterramento por meio do resistor R34 e a entrada inversora é conectada à saída do amplificador operacional Op.a5 por meio do resistor R28.
[0068] Os amplificadores operacionais Op.a3 e Op.a4 são configurados como amplificadores não inversores. Suas saídas são conectadas à entrada não inversora do amplificador operacional Op.a5 por meio do resistor R33 e à entrada inversora do amplificador operacional Op.a5 por meio do resistor R27. Eles fornecem ao Op.a5 seus sinais de entrada amplificados por um fator constante determinado por R23, R24 e R25, resp. R29, R30, e R31.
[0069] O amplificador operacional Op.a5 é configurado como um
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19/21 amplificador diferencial. Sua saída fornece a diferença entre as voltagens das entradas amp1 Op. Dif. e amp2 Op. Dif., multiplicada por um fator constante determinado pelos valores dos resistores R27, R28,
R33 e R34.
[0070] A figura 6 mostra o diagrama de blocos de uma unidade de filtro variável 16 em uma modalidade preferida. Contém seis filtros passa- baixas 23-28. Cada um deles tem uma frequência de expansão diferente. O sinal de receptor amplificado é enviado para as entradas de todos os seis filtros passa-baixas 23-28 que fornecem seus sinais de saída a um multiplexador 29. O multiplexador é controlado pelo terceiro sinal de controle que é gerado pela unidade de controle 16 de acordo com a frequência selecionada do transmissor. Um dos filtros passa-baixas 23-28, que tem uma frequência de expansão apropriada, é selecionado pela unidade de controle 16 de acordo com a frequência aplicada do transmissor. O sinal filtrado é depois enviado da saída do multiplexador 29 à entrada do detector sensível à fase 18.
[0071] A figura 7 ilustra um diagrama esquemático de uma unidade de filtro 23-28 que é preferivelmente projetada como filtros fonte de voltagem controlados por voltagem (VCVS) ou variações dos mesmos, tais como filtros de Sallen-Key. As topologias de Sallen-Key são usadas para implementar filtros ativos de segunda ordem. Implementações de filtros de Sallen-Key frequentemente usam um amplificador operacional configurado como um seguidor de voltagem; porém, emissor ou seguidores de fonte são outras escolhas comuns para o amplificador de tampão. Um filtro de Sallen-Key é uma variação em um filtro VCVS que usa um amplificador de ganho de unidade (isto é, um amplificador de tampão puro com 0 dB de ganho).
[0072] A unidade de filtro mostrada na figura 7 consiste em um filtro passa-baixa de Butterworth de quinta ordem composto de uma célula RC formada pelos resistores R17, R18 e condensador C1, sePetição 870190093705, de 19/09/2019, pág. 22/35
20/21 guido por dois circuitos de Sallen-Key de segunda ordem.
[0073] O primeiro circuito de Sallen-Key compreende um primeiro resistor R19 que é conectado à saída de um amplificador operacional Op.a1 por meio de um primeiro condensador C2 e por meio de um segundo resistor R20 à entrada não inversora de amplificador operacional Op.a1 que é conectada ao aterramento por meio de um segundo condensador C3. A saída do amplificador operacional Op.a1 é ainda conectada à entrada inversora do amplificador operacional Op.a1.
[0074] O segundo circuito de Sallen-Key compreende um primeiro resistor R21 que é conectado à saída de um amplificador operacional Op.a2 por meio de um primeiro condensador C4 e por meio de um segundo resistor R22 à entrada não inversora do amplificador operacional Op.a2 que é conectada ao aterramento por meio de um segundo condensador C5. A saída do amplificador operacional Op.a2 é ainda conectada à entrada inversora do amplificador operacional Op.a2.
[0075] O filtro de primeira ordem, a saber, a célula RC R17, R18,
C1, e os dois filtros de Sallen-Key de segunda ordem fornecem em combinação o filtro de quinta ordem requerido.
LISTAGEM DE REFERÊNCIA
Sistema de detecção de metal
Produto
Unidade de transmissor
Bobina transmissora
Unidade de receptor
Primeira bobina receptora
Segunda bobina receptora
T ransformador
Primeira unidade de impedância controlável
Segunda unidade de impedância controlável
Primeira unidade amplificadora
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21/21
Segunda unidade amplificadora
Unidade de controle
Unidade de filtro variável
Detector sensível à fase
Segunda unidade de filtro
Unidade de ganho
Conversor analógico para digital
Terminal de computador
Primeiro filtro
Segundo filtro
Terceiro filtro
Quarto filtro
Quinto filtro
Sexto filtro
Segundo interruptor
Claims (16)
1. Método para operação de um sistema de detecção de metal (1) que compreende um sistema de bobina equilibrada com uma bobina transmissora (4) que é conectada a uma unidade transmissora (3) que gera sinais do transmissor tendo uma frequência de transmissor que é selecionada de um grupo de pelo menos duas frequências de transmissor, e com uma primeira e uma segunda bobinas receptoras (6, 7) que fornecem sinais de saída à entrada de sinal de pelo menos uma unidade amplificadora (14, 15) incluída em uma unidade receptora (5), cujos sinais de saída compensam uns aos outros de modo que o sistema fique em equilíbrio, caracterizado pelo fato de que uma unidade de controle (16) gera um sinal de controle de acordo com a frequência do transmissor da unidade transmissora (3) e que é fornecido à entrada de controle de pelo menos uma unidade de impedância controlável (12, 13), que é acoplada à entrada de sinal da pelo menos uma unidade amplificadora (14, 15), em que o sinal de controle fica controlando o valor de impedância da unidade de impedância controlável (12, 13) de um tal modo que o valor de impedância seja aumentado ou diminuído quando a frequência do transmissor for aumentada ou diminuída;
em que as bobinas receptoras (6, 7) são conectadas com uma cauda uma à outra e com a outra cauda às respectivas caudas de dois enrolamentos primários com rosca central idênticos de um transformador equilibrado (11) tendo dois enrolamentos secundários com rosca central idênticos, cujas caudas são conectadas na pelo menos uma unidade de impedância controlável (12, 13) a pelo menos uma unidade amplificadora (14, 15).
2/5 transistor que é controlado pelo sinal de controle ou de que a pelo menos uma unidade de impedância controlável (12, 13) compreende pelo menos uma unidade de comutação, tal como um relé que é controlado pelo sinal de controle e que conecta o pelo menos um resistor de um grupo de pelo menos dois resistores ou uma combinação dos mesmos aos terminais de saída da unidade de impedância controlável (12, 13).
2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a pelo menos uma unidade de impedância controlável (12, 13) compreende pelo menos um resistor variável, tal como um
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3/5
3. Método, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o resistor variável é um transistor.
4/5 formador equilibrado (11) tendo dois enrolamentos secundários com rosca central idênticos, cujas caudas são conectadas a pelo menos uma unidade de impedância controlável (12, 13) a pelo menos uma unidade amplificadora (14, 15).
4. Método, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a unidade de comutação é um relé.
5/5 sinal de uma unidade de filtro variável (17) que tem uma largura de banda selecionável e preferivelmente está compreendendo pelo menos um dispositivo de filtro que pode ser acoplado à trajetória de sinal por meio de uma segunda unidade de comutação, e em que a unidade de controle (16) fica fornecendo um sinal de controle a uma entrada de controle da unidade de filtro variável (17) e a largura de banda é selecionada de acordo com a frequência selecionada do transmissor.
5. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que:
a. o valor de impedância da unidade de impedância controlável (12, 13) é selecionado entre 20 Ohm e 100 Ohm para frequências de transmissor entre 1 kHz e 300 kHz e/ou
b. o valor de impedância da unidade de impedância controlável (12, 13) é selecionado entre 200 e 400 ohm para frequências de transmissor entre 300 kHz e 1 MHz
6. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o sinal de saída da pelo menos uma unidade amplificadora (14, 15) é filtrado por uma unidade de filtro variável (17) tendo uma largura de banda selecionável, preferivelmente compreendendo pelo menos um dispositivo de filtro que pode ser acoplado à trajetória do sinal por meio de uma segunda unidade de comutação, a dita largura de banda é selecionada de acordo com a frequência selecionada do transmissor.
7. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a unidade amplificadora (14, 15) compreende um amplificador cascodo de transistor bipolar, a saída do mesmo é acoplada a um amplificador diferencial.
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8. Método, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que os ajustes para a, pelo menos, uma unidade de impedância variável e/ou ajustes correspondentes para a unidade de filtro variável (17) são selecionados de uma tabela fornecida na unidade de controle (16) cuja tabela contém pelo menos um conjunto de frequências de transmissor e ajustes correspondentes para a pelo menos uma unidade de impedância variável e/ou ajustes correspondentes para a unidade de filtro variável (17).
9. Sistema de detecção de metal (1) compreendendo um sistema de bobina equilibrada com uma bobina transmissora (4) acoplada a uma unidade transmissora (3) que gera sinais de transmissor tendo uma frequência de transmissor que é selecionada de um grupo de pelo menos duas frequências de transmissor, e com uma primeira e uma segunda bobinas receptoras (6, 7) que fornecem sinais de saída para a entrada de sinal de pelo menos uma unidade amplificadora (14, 15) contida em uma unidade receptora (5) cujos sinais de saída compensam uns aos outros de modo que o sistema fica em equilíbrio, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma unidade de impedância controlável (12, 13) é fornecida que é conectada com a entrada de sinal da pelo menos uma unidade amplificadora (14, 15) e que é controlada por uma unidade de controle (16) que está fornecendo um sinal de controle a uma entrada de controle da unidade de impedância controlável (12, 13) que é selecionável de acordo com a frequência do transmissor da unidade transmissora (3), de modo que o valor de impedância da unidade de impedância controlável (12, 13) seja aumentado ou diminuído quando a frequência do transmissor é aumentada ou diminuída;
em que as bobinas receptoras (6, 7) são conectadas com uma cauda uma à outra e com a outra cauda às respectivas caudas de dois enrolamentos primários com rosca central idênticos de um transPetição 870190093705, de 19/09/2019, pág. 27/35
10. Sistema de detecção de metal (1), de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que a pelo menos uma unidade de impedância controlável (12, 13) compreende pelo menos um resistor variável, tal como um varistor, que é controlável pelo sinal de controle, ou que a pelo menos uma unidade de impedância controlável (12, 13) compreende um grupo de pelo menos dois resistores e pelo menos uma unidade de comutação, tal como um relé, que é controlável pelo sinal de controle de modo que o pelo menos um resistor de um grupo de pelo menos dois resistores ou uma combinação dos mesmos seja conectável aos terminais de saída da unidade de impedância controlável (12, 13).
11. Sistema, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o resistor variável é um transistor.
12. Sistema, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que a unidade de comutação é um relé.
13. Sistema de detecção de metal (1), de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que
a. o valor de impedância da unidade de impedância controlável (12, 13) é selecionável em uma faixa entre 20 Ohm e 100 Ohm para frequências de transmissor entre 1 kHz e 300 kHz e/ou
b. o valor de impedância da unidade de impedância controlável (12, 13) é selecionável em uma faixa entre 200 e 400 ohm para frequências de transmissor entre 300 kHz e 1 MHz
14. Sistema de detecção de metal (1), de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o sinal produzido da pelo menos uma unidade amplificadora (14, 15) é acoplado à entrada de
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15. Sistema de detecção de metal (1), de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que a unidade amplificadora (14, 15) compreende um amplificador cascodo de transistor bipolar, a saída deste é acoplada a um amplificador diferencial.
16. Sistema de detecção de metal (1), de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que a unidade de controle (16) é fornecida com uma tabela de frequências de transmissor e ajustes correspondentes para a pelo menos uma unidade de impedância controlável e/ou ajustes correspondentes para a unidade de filtro variável (17).
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