ITBO20110526A1 - Dispositivo a basso consumo per il monitoraggio continuativo a lungo termine della emissione acustica con registrazione di parametri peculiari ad essa relativi - Google Patents

Description

"DISPOSITIVO A BASSO CONSUMO PER IL MONITORAGGIO CONTINUATIVO A LUNGO TERMINE DELL'EMISSIONE ACUSTICA CON REGISTRAZIONE DI PARAMETRI PECULIARI AD ESSA

RELATIVI"

S T A T O D E L L' A R T E

Nei materiali solidi molti fenomeni di danneggiamento che coinvolgono la rottura di legami molecolari producono onde elastiche di rinculo secondo un fenomeno noto come "emissione acustica" (Kaiser J., 1953).

Sono note molteplici soluzioni tecniche in cui il conteggio del numero e della frequenza di accadimento di eventi di emissione acustica opportunamente selezionati è impiegato per finalità industriali: il documento US3855847 (Leschek, 1972) descrive un sensore, il documento US 3919883 (Nakamura Y and Veach C., 1975) descrive un sistema per rilevare l'evoluzione di fessurazioni all'interno di strutture, il documento GB1551773A (1975) descrive un sistema di conteggio immune da rumore di fondo, il documento US3946600 (Rettig T. and Felsen M., 1976) descrive un sistema per rilevare danneggiamento da corrosione, il documento JP 52015386 (Kagawa T., 1977) descrive un sistema per rilevare l'evoluzione di fessurazioni in alberi rotanti, il documento CA 1175135 (Mcelroy J., 1984) descrive un sistema per rilevare danneggiamento in elementi in fibra di vetro .

Sono note soluzioni tecniche per la localizzazione del danno attraverso la triangolazione delle emissioni acustiche captate da una pluralità di sensori distinti come ad es. nei documenti US4033179A1 (Romwell D., 1975), SE8005963 (Hellqvist K., 1980) e JP 61284656 (Kiyonaga et al., 1986).

Sono noti documenti che suggeriscono l'impiego delle soluzioni tecniche citate per il monitoraggio continuativo di organi meccanici, strutture o loro componenti quali i documenti PCT/CA94/00335 (Paulson, 1993) e PCT/CA02/00721 (Paulson et al., 2001) e il documento US5010503A1 (Bassim M. and Tanghi K., 1984) in cui è anche registrato il valore medio efficace (RMS) del segnale acustico rilevato. Dette soluzioni non analizzano in dettaglio gli aspetti legati ai consumi energetici del sistema di monitoraggio e la loro applicabilità risulta limitata ai casi in cui il sistema possa ricevere alimentazione da una fonte di energia continuativa ed illimitata come ad es. la rete di distribuzione elettrica e se alimentati da batterie o pile non sono impiegabili per il monitoraggio continuativo a lungo termine.

Sono noti dispositivi per l'analisi dell'emissione acustica alimentati a batterie, quale ad es . il dispositivo "microDISP" prodotto dalla Physical Acoustics Corporation (MISTRAS Group. Ine., NJ, USA) la cui autonomia di funzionamento è limitata a poche ore e non sono impiegabili per il monitoraggio continuativo a lungo termine, dove per "lungo termine" si considerano in particolare periodi di funzionamento da molti mesi ad alcuni anni.

Sono noti documenti che descrivono dispositivi per il monitoraggio dell'emissione acustica in cui l'alimentazione è ricavata da una fonte di energia rinnovabile disponibile nella localizzazione in cui il dispositivo risulta dislocato: i documenti US607 6405A1 (Schoess J., 1996) e KR20100053870 (Yoon D. et al., 2010) descrivono sistemi ove l'alimentazione è ricavata dalla conversione di vibrazioni ambientali in energia elettrica, il documento JP10300729A (Ishise T. et al., 1997) descrive un sistema ove una molteplicità di sensori di emissione acustica sono alimentati da celle solari e comprendono accorgimenti per ridurre il consumo energetico della trasmissione dei dati e il documento JP2007085851A (Oguma N. and Muratami I., 2005) descrive un dispositivo di emissione acustica alimentato attraverso un sistema induttivo per la trasmissione di energia. I dispositivi sopra citati non sono però impiegabili per il monitoraggio continuativo a lungo termine in localizzazioni ove non sia disponibile alcuna fonte di energia rinnovabile prelevabile dall'ambiente.

I dispositivi noti, anche se in alcuni casi possono comprendere accorgimenti per la riduzione della potenza di alimentazione necessaria al loro funzionamento, non sono in grado di garantire il monitoraggio continuativo a lungo termine per periodi da molti mesi a diversi anni in assenza di fonti di energia esterne al dispositivo stesso e alimentati unicamente da una pila elettrochimica di piccole dimensioni come ad esempio una singola cella al Litio cloruro di tionile di tipo ER34615.

E' noto il documento JP3162633A (Nishimoto et al., 1991) che descrive un dispositivo per il monitoraggio dell'emissione acustica alimentato da una pila che viene connessa/disconnessa a seconda della quantità di emissione acustica rilevata. La Nella Figura 2 (prior art) è illustrata in dettaglio la soluzione descritta dal documento JP3162633A: all'interno del riquadro PA-01 è mostrata l'illustrazione originale del documento citato, mentre nel riquadro PA-02 è illustrato lo stesso schema con una rappresentazione schematica dei componenti che illustra come la soluzione preveda che l'inviluppo di tensione del segnale proveniente da un elemento piezoelettrico ( ) PA-11, raddrizzato da un diodo rettificatore PA-12 è accumulato in un condensatore elettrico ( ) PA-13. Quando il valore di tensione accumulato supera una soglia prestabilita, il sistema di comando PA-14 chiude l'interruttore PA-15 che alimenta i circuiti PA-16, PA-17, PA-18 e PA-19 deputati rispettivamente ad amplificare il segnale proveniente dall' elemento piezoelettrico PA-11, filtrarlo per estrarne componenti di frequenza presenti in caso di anomalie, comparare il livello di tali componenti ad una soglia prestabilita e trasmettere un segnale di allarme quando tale soglia è superata. Un temporizzatore PA20, trascorso un certo intervallo di tempo dalla chiusura dell'interruttore PA-15, attraverso il sistema di comando PA-22 chiude momentaneamente l'interruttore PA-21 scaricando il condensatore PA-13 e causando la riapertura dell'interruttore PA-15 che toglie alimentazione ai sistemi PA-16, PA-17, PA-18 e PA-19 .

Il sistema descritto nel documento JP3162633A, pur essendo teoricamente in grado di operare per lunghi periodi alimentato da una pila di piccole dimensioni, è concepito in modo da risparmiare energia disattivando i sistemi di analisi, rilevamento e segnalazione delle anomalie durante i periodi caratterizzati da una presenza sporadica di eventi di emissione acustica; detto sistema pertanto non risulta idoneo ad essere impiegato per il monitoraggio continuativo di elementi e strutture in cui il danneggiamento origina eventi di emissione acustica isolati e distribuiti nel tempo in modo sporadico .

Sono note specifiche soluzioni per elaborare segnali di emissione acustica al fine di estrarne parametri peculiari indicativi del contenuto di informazione fisica del segnale.

Il documento EP0209862A2 (Sato I. and Yoneyama, T, 1985) illustra una tipica soluzione in cui il segnale di emissione acustica è campionato e digitalizzato in una sequenza di numeri binari da un convertitore analogico/digitale e l'estrazione dei parametri peculiari avviene numericamente. Detta soluzione richiedono che il digitalizzatore e il sistema di elaborazione numerica rimangano continuamente operativo affinché sia correttamente registrato ogni segnale significativo, pertanto tali soluzioni sono caratterizzate da un consumo di energia non compatibile con la possibilità operare per lunghi periodi se alimentate da una singola pila di piccole dimensioni.

Il documento US5010503A1 (Paton B. et al., 1988) descrive un sistema in cui il segnale di emissione acustica è elaborato analogicamente da un rivelatore di inviluppo per poi essere analizzato da un circuito formatore di impulso e da un rivelatore di valore di picco entrambi seguiti da sistemi atti a convertire in numeri binari rispettivamente il tempo di durata del treno di oscillazioni dell'emissione acustica e il massimo valore di ampiezza da esso raggiunto.

Il documento JP54100789A (Nasaka H., 1978) descrive un sistema in cui il segnale di emissione acustica è elaborato analogicamente da un rivelatore di inviluppo per poi essere analizzato da circuiti atti a codificare in termini di durata di impulsi digitali le caratteristiche peculiari di tempo di salita, tempo di discesa e massimo valore di ampiezza di picco del segnale.

Il documento JP57175951 (Satou K et al., 1981) descrive un sistema in cui il segnale di emissione acustica è analizzato da due comparatori a soglia e la caratteristica peculiare di massimo valore di ampiezza del segnale è stimata in base al numero di attraversamenti delle due soglie compiuti dal segnale .

Il documento US3713127 (Keledy F. and Notvest K., 1970) descrive un sistema in cui il segnale di emissione acustica è analizzato da due rivelatori di ampiezza di picco uno dei quali risulta abilitato solo in una determinata finestra temporale che caratterizza i segnali di emissione acustica discriminandoli da quelli dovuti ad altri fenomeni, con il fine di permettere al sistema di rilevare e codificare in termini di impulsi di un segnale digitale il valore di massima ampiezza di picco dei soli treni di oscillazioni riconducibili ad emissione acustica .

Nel riquadro PA-03 della Figura 2 (prior art) è illustrata in dettaglio la soluzione tecnica nota come rivelatore di inviluppo, anche denominato in letteratura come "rivelatore video" o "video detector" .

Detto rivelatore di inviluppo è utilizzato nelle soluzioni note, talora secondo varianti che includono elementi attivi, con la finalità di estrarre dall'oscillazione dell'emissione acustica il valore di massima ampiezza di picco.

Nel rivelatore di inviluppo noto il segnale oscillante costituito da semionde positive (145a) e negative (145b) è iniettato nel punto 140 ed elaborato dal diodo rettificatore a semiconduttore 141 attraverso cui carica il condensatore 142 riferito a massa 143 ad un livello di tensione corrispondente al valore di ampiezza di picco delle semionde positive 145a decurtato della caduta di tensione diretta 147 caratteristica del diodo 141 stesso realizzando così la forma d'onda 146 prelevabile nel punto 144.

Il suddetto rivelatore di inviluppo non è però accettabilmente funzionale come rivelatore di ampiezza picco quando l'oscillazione in ingresso risulta avere almeno una semionda negativa 148b con ampiezza di picco 151 superiore al massimo valore di ampiezza di picco 150 delle semionde positive 148a, in tale situazione infatti la forma d'onda rilevabile 149 all'uscita 144 risulta avere ampiezza pari al massimo valore di ampiezza di picco 150 delle semionde positive 148a detratto della caduta di tensione 147 sul diodo 141, valore non correlato all'effettiva massima ampiezza di picco 151 del segnale in ingresso. Tale già citato rivelatore di inviluppo non è infine accettabile in applicazioni che, al fine di ridurre il consumo di energia, richiedano di limitare la tensione di alimentazione: considerando ad esempio una tensione di alimentazione singola di 1.5 Volt la caduta di tensione 147 del diodo 141 pari a 0.7 Volt restringe la dinamica di misura effettiva del circuito del 46%, valore non accettabile. Malgrado siano note varianti del suddetto rivelatore di inviluppo che includono elementi amplificatori attivi al fine di compensare la caduta di tensione 147 del rettificatore, dette varianti richiedono amplificatori veloci che necessitano di una potenza di alimentazione non compatibile con la possibilità di alimentazione a lungo termine da una singola pila di piccole dimensioni .

In alcuni dei documenti citati il valore di tensione ricavato attraverso il suddetto rilevatore di inviluppo è impropriamente ed erroneamente indicato come misura dell'energia dell'evento di emissione acustica; essendo nella realtà il valore di energia in senso proprio misurato dall'integrale nel tempo del valore assoluto dell'oscillazione rilevata, e non potendo tale già citato rivelatore di inviluppo perseguire il tipo di elaborazione in nessuna delle sue varianti .

E' nota la possibilità di integrare nel tempo l'ampiezza di un segnale elettrico mediante una topologia circuitale assimilabile a quella indicata nel riquadro PA-04 della Figura 2 (prior art) in cui il segnale applicato al punto 160 raggiunte attraverso un resistore 161 l'ingresso invertente di un amplificatore differenziale 162, a sua volta caratterizzato da una retroazione attraverso il condensatore 163 sull'ingresso invertente in cui l'ingresso non invertente è forzato alla massa di segnale in modo da generare al punto 165 una tensione di ampiezza proporzionale all'integrale nel tempo della tensione in ingresso, e in particolare pari a dove "R " rappresenta il valore del

resistore 161 e "C" la capacità del condensatore 163. Sebbene non sia nota alcuna applicazione del circuito integratore suddetto per l'elaborazione dei segnali di emissione acustica, un tecnico esperto potrebbe pensare di combinarlo con un rivelatore di inviluppo noto per valutare il valore di energia dell'emissione acustica. Per le limitazioni già esposte detta combinazione potrebbe però fornire una stima del valore di energia solo molto approssimativa ed incompleta, ed inoltre non sarebbe compatibile con applicazioni destinate ad essere alimentate a lungo termine da una singola pila di piccole dimensioni ed a bassa tensione sia per ragioni legate al consumo di energia, sia per ragioni legate alla insufficiente dinamica di misura che il circuito integratore può raggiungere quando una bassa tensione di alimentazione limita il campo di tensione in cui può venire a trovarsi il valore di uscita.

D E S C R I Z I O N E D E L L' I N V E N Z I O N E

Scopo principale della presente invenzione è quello di realizzare un sistema per il monitoraggio continuativo dell'emissione acustica in materiali e strutture che sia:

adatto ad essere impiegato anche in situazioni caratterizzate da eventi di emissione acustica rari, isolati e distribuiti nel tempo in modo sporadico, caratterizzato dal fatto di impiegare soluzioni circuitali tali da ridurre il consumo di energia e massimizzare la dinamica di misura,

in grado di operare per lunghi periodi alimentato solo da una pila di piccole dimensioni ,

in grado di calcolare, codificare e registrare il parametro peculiare che misura l'energia di ciascun evento di emissione acustica in modo accurato e in un campo di misura di estensione (dinamica) elevata.

La presente invenzione verrà ora descritta con riferimento alle figure allegate che comprendono sue forme attuative non limitative.

La Figura 1 illustra una forma attuativa preferenziale della presente invenzione in cui i componenti principali del sistema sono illustrati all'interno del riquadro 2. L'emissione acustica generata dal danneggiamento in un elemento 1 viene captata e convertita in un segnale elettrico da un trasduttore 3 opportunamente accoppiato all'elemento I stesso. Detto segnale elettrico è successivamente amplificato da un pre-amplificatore 4, filtrato da un filtro 5 e ulteriormente amplificato da un amplificatore 6 per ottenere un segnale 20 contenente l'informazione significativa e avente un livello di ampiezza che ne consenta una successiva elaborazione. II segnale 20 è quindi elaborato da un rettificatore ideale a doppia semionda 7 tale da produrre in uscita un segnale 21 pari al modulo o valore assoluto del segnale 20, essendo tale rettificatore 7 realizzato con una soluzione circuitale tale da minimizzare il consumo di energia e priva di penalizzanti limitazioni della dinamica di uscita ad opera della caduta di tensione diretta di diodi. Il segnale rettificato 21 è quindi elaborato da un comparatore 8 opportunamente dotato di isteresi e la cui soglia di riferimento "THR1" è regolata ad un valore di tensione 34 prossimo al limite superiore della dinamica del segnale, in modo che tale comparatore possa produrre un segnale 22 che si porti ad un livello logico convenzionale durante tutto l'intervallo di tempo 23 in cui il segnale 21 rimane presso il limite superiore (saturazione) del campo di possibile variazione (dinamica) . Il segnale rettificato 21 è inoltre elaborato da un secondo comparatore 9 opportunamente dotato di isteresi e la cui soglia di riferimento "THR2" è regolata ad un valore di tensione 33 opportuno, in modo che tale comparatore possa produrre un segnale 24 che si porti ad un livello logico convenzionale durante tutto l'intervallo di tempo 25 in cui il segnale 20 riproduce l'oscillazione del treno di onde dell'emissione acustica. Il contenuto di informazione dei segnali 22 e 24, con particolare riferimento alle durate di impulso 23 e 25 potrà inoltre essere codificato e registrato ad es. da un sistema a microprocessore (non illustrato) utilizzando le funzionalità "input-capture" di una periferica temporizzatore/contatore, ovvero codificato in termini di numero di impulsi attraverso una opportuna soluzione tecnica (non illustrata) . Il segnale rettificato 21 è in aggiunta elaborato dal circuito racchiuso nel riquadro 16 dove l'integratore attivo 10 ne integra il valore di tensione nel tempo producendo il segnale 26 che, quando raggiunge un opportuno valore "THR3" della tensione di soglia 27 causa l'attivazione del multivibratore monostabile 12 ad opera del comparatore 11 con la produzione di un impulso a livello logico convenzionale del segnale 28. La logica di controllo 13 provvede a mantenere in reset l'integratore 10 in assenza di segnale di emissione acustica, e cioè al di fuori della durata 25 in cui l'impulso 24 si trova al valore logico convenzionale. In aggiunta ancora la logica di controllo 13 provvede ad azzerare l'integratore 10 ogni volta che il monostabile 12 produce un impulso del segnale 28, in modo tale che il valore di energia associato all'oscillazione 20 dell'evento di emissione acustica risulti convertito e codificato in un conveniente numero di impulsi del segnale 28. Detto numero di impulsi del segnale 28 potrà quindi essere registrato e memorizzato ad es. da un sistema a microprocessore (non illustrato) utilizzando una periferica contatore, ovvero attraverso un sistema software in polling o in interrupt, ovvero attraverso un sistema equivalente. Il dispositivo potrà inoltre elaborare e comunicare i dati memorizzati attraverso opportuni organi di telemetria, comunicazione e avvertimento (non illustrati).

La Figura 3 illustra il dettaglio di una forma attuativa preferenziale per il rettificatore ideale a doppia semionda 7 che supera le limitazioni delle soluzioni tecniche note per quanto riguarda il consumo di energia e la riduzione della dinamica operativa. Il segnale in ingresso è applicato ai terminali 41a e 41b e raggiunge l'avvolgimento 44 del trasformatore 45 attraverso un condensatore 42 che ha la funzione di rimuoverne l'eventuale componente di corrente continua. In conseguenza del segnale pilota 43 applicato all'avvolgimento 44 viene indotta una forza elettro-motrice (f.e.m.) in ciascuno degli avvolgimenti 47, 48, 49 e 50 che sono magneticamente accoppiati all'avvolgimento 44 attraverso il nucleo ferromagnetico 46; detta f.e.m. indotta in ciascun avvolgimento avente ampiezza correlata al rapporto tra i numeri di spire tra l'avvolgimento in questione e il primario 44, ed avente fase imposta dal verso indicato per l'avvolgimento in questione rispetto all'avvolgimento primario 44, avendo gli avvolgimenti 47 e 49 un numero di spire maggiore di quelle rispettivamente degli avvolgimenti 48 e 50.

In particolare nell'avvolgimento 47 che ha un estremo collegato alla massa 58, è indotta una f.e.m. con semionde 51a e 51b, in fase rispetto al segnale 43, che è applicata al terminale di "gate" di un dispositivo 53 costituito da un "Electrically Programmatile Analog Device - MOSFET a canale n con tensione di soglia di saturazione nulla" del tipo di quelli prodotti dalla Advanced Linear Devices Ine. (CA, USA), mentre i terminali di "source" e di "drain" del dispositivo 53 sono rispettivamente connessi a massa ed al capo dell'avvolgimento 48 in controfase rispetto al segnale 43. In tale configurazione il dispositivo 53 si porta in saturazione per tutta la durata della semionda positiva 51a aprendo un percorso ad impedenza trascurabile tra la massa 58 ed il capo dell'avvolgimento 48 collegato al "drain", condizione che permette di prelevare al punto 57 la semionda positiva 52b del segnale sul capo opposto dell'avvolgimento 48, per formare la semionda 59a del segnale rettificato riferito alla massa 58. Per tutta la durata della semionda negativa 51b il dispositivo 53 risulta invece in interdizione, impedendo che alcuna corrente elettrica possa scorrere nell'avvolgimento 48.

In modo analogo, nell'avvolgimento 49 che ha un estremo collegato alla massa 58, è indotta una f.e.m. con semionde 54a e 54b, in opposizione di fase rispetto al segnale 43, che è applicata al terminale di "gate" di un dispositivo 56 analogo al dispositivo 53 già menzionato, mentre i terminali di "source" e di "drain" del dispositivo 56 sono rispettivamente connessi a massa ed al capo dell'avvolgimento 50 in controfase rispetto al segnale 43. In tale configurazione il dispositivo 56 si porta in saturazione per tutta la durata della semionda positiva 54b aprendo un percorso ad impedenza trascurabile tra la massa 58 ed il capo dell'avvolgimento 50 collegato al "drain", condizione che permette di prelevare al punto 57 la semionda positiva 55b del segnale sul capo opposto dell'avvolgimento 50, per formare la semionda 59b del segnale rettificato riferito alla massa 58. Per tutta la durata della semionda negativa 54a il dispositivo 56 risulta invece in interdizione, impedendo che alcuna corrente elettrica possa scorrere nell'avvolgimento 50.

La soluzione illustrata in Figura 3 non è afflitta da alcuna caduta di tensione diretta dovuta ad elementi rettificatore a diodo e non necessità di alimentazione a parte una trascurabile frazione di potenza sottratta al segnale pilota 43, essa si presta pertanto ad essere impiegata con vantaggio in un dispositivo destinato ad essere alimentato da una singola batteria di piccole dimensioni in modo continuativo per lunghi periodi di tempo.

Il presente brevetto vuole inoltre proteggere anche le possibili realizzazioni in accordo con una forma semplificata della soluzione di cui alla Figura 3 in cui gli avvolgimenti secondari 47,48,49 e 50 sono rimpiazzati da un solo avvolgimento con presa centrale collegata a massa e in cui gli estremi dell'avvolgimento sono collegati ciascuno ai terminali di "gate" e "drain" tra loro cortocircuitati di due distinti "Electrically Programmable Analog Device - MOSFET a canale n con tensione di soglia di saturazione nulla" del tipo già citato, e in cui il segnale rettificato è prelevato dai terminali di "source" dei due dispositivi, terminali che sono tra loro cortocircuitati.

Il presente brevetto vuole inoltre proteggere le possibili realizzazioni in accordo con la configurazione illustrata in Figura 3 e sopra descritta, e con le varianti descritte, in cui è utilizzato per almeno uno dei dispositivi 53 e 56 un elemento di tipo diverso da quello citato ma avente analoga funzionalità.

La Figura 4 illustra il dettaglio di una forma attuativa preferenziale per il circuito di elaborazione del segnale comprendente le funzioni di integratore nel tempo 10, comparatore a soglia 11 e multivibratore monostabile 12 di cui alla figura 1. Nella forma attuativa di figura 4 la parte di circuito racchiusa nel riquadro tratteggiato 100 svolge le funzioni di integratore per il segnale proveniente dal rettificatore ideale che viene iniettato al punto 102. L'amplificatore differenziale 104, che è collegato in configurazione di integratore grazie alla retroazione capacitiva dell'elemento 105, nelle condizioni operative vede il proprio ingresso non invertente collegato ad una tensione di polarizzazione "+Vbias" tale da compensare l'errore di offset dell'amplificatore 104 stesso ed attraverso il resistore 103 è raggiunto sull'ingresso invertente dal segnale di ingresso. In tale configurazione, partendo da una condizione in cui il condensatore 105 è carico alla massima tensione di alimentazione positiva "V+" del circuito, il segnale in ingresso viene integrato e sottratto al valore iniziale della tensione ai capi del condensatore 105, facendo così decrescere il valore di tensione in uscita dall'integratore sulla linea 107.

La parte di circuito rappresentata nel riquadro tratteggiato 101 svolge le funzioni di comparatore e di monostabile in quanto l'uscita dell'integratore 107 è applicata all'ingresso invertente di un comparatore 108 il cui ingresso non invertente è forzato ad un opportuno valore di soglia "+Vthreshold" attraverso il resistore 109, in modo tale che quando la tensione in uscita dall'integratore scende al di sotto di detta soglia, il comparatore 108 commuta la propria uscita a livello logico alto. La retroazione positiva del comparatore 108 attraverso il condensatore 111 assicura che la suddetta commutazione produca al terminale 110 un impulso con durata minima di entità opportuna.

L'uscita del comparatore 108 comanda gli elementi di commutazione 106a e 106b che hanno rispettivamente la funzione di forzare gli ingressi invertente e non invertente dell'amplificatore 104 rispettivamente a massa ed alla massima tensione di alimentazione positiva "V+" del circuito, così da riportare (reset) l'integratore nella condizione di misura iniziale in cui il condensatore 105 è carico alla massima tensione di alimentazione positiva "V+" del circuito.

Una opportuna logica di comando aggiuntiva (non illustrata) potrà inoltre provvedere a forzare l'integratore nella condizione di reset anche in assenza di segnale di emissione acustica.

Il circuito di elaborazione del segnale illustrato nella Figura 4 si presta in modo ottimale ad elaborare un segnale di ampiezza relativo all'emissione acustica, compreso il segnale prodotto dal circuito illustrato nella Figura 3, al fine di produrre una misura dell'energia del segnale stesso in termini di numero di impulsi logici al terminale 110, con una dinamica di misura che non risulta limitata dalla massima tensione di alimentazione e con una risoluzione che può essere scelta a piacimento attraverso una opportuna selezione dei componenti 103, 105, 109, il e del valore di

"+Vthreshoid". Il circuito illustrato nella Figura 4 minimizza inoltre il numero di componenti attivi ed il relativo consumo di energia, esso si presta pertanto ad essere impiegato con vantaggio in un dispositivo destinato ad essere alimentato da una singola batteria di piccole dimensioni in modo continuativo per lunghi periodi di tempo.

La Figura 5 illustra una forma attuativa alternativa della presente invenzione in cui i componenti principali del sistema sono illustrati all'interno del riquadro 129. L'emissione acustica generata dal danneggiamento in un elemento 1 viene captata e convertita in un segnale elettrico da un trasduttore 3 opportunamente accoppiato all'elemento I stesso. Detto segnale elettrico è successivamente amplificato da un pre-amplificatore 4, filtrato da un filtro 5 e ulteriormente amplificato da un amplificatore 6 per ottenere un segnale 20 contenente l'informazione significativa e avente un livello di ampiezza che ne consenta una successiva elaborazione. II segnale 20 è quindi elaborato da un rettificatore ideale a doppia semionda 7 tale da produrre in uscita un segnale 21 pari al modulo o valore assoluto del segnale 20, essendo tale rettificatore 7 realizzato con una soluzione circuitale tale da minimizzare il consumo di energia e priva di penalizzanti limitazioni della dinamica di uscita ad opera della caduta di tensione diretta di elementi rettificatori.

Il segnale rettificato 21 è elaborato da un comparatore 9 opportunamente dotato di isteresi e la cui soglia di riferimento "THR2" è regolata ad un valore di tensione 33 opportuno, in modo che tale comparatore possa produrre un segnale 24 che si porti ad un livello logico convenzionale durante tutto l'intervallo di tempo 25 in cui il segnale 20 riproduce l'oscillazione del treno di onde dell'emissione acustica.

La transizione che porta il segnale 24 al livello logico convenzionale suddetto comanda il risveglio di un sistema a microprocessore 122 da uno stato di quiescenza a basso consumo, e detto microprocessore 122 provvede a comandare un interruttore 124 per alimentare delle periferiche accessorie tra cui un campionatore e convertitore analogico/digitale 121.

Il segnale 20 è inoltre iniettato in una linea di ritardo 120, eventualmente seguita da un amplificatore 130 deputato a recuperare l'attenuazione della linea 120 stessa, al fine di produrre un segnale 126 avente lo stesso contenuto di informazione del segnale 20 ma che risulti ritardato rispetto al segnale 20 stesso di un intervallo di tempo 127 noto e di entità tale da assicurare che il sistema a microprocessore 122 e le periferiche accessorie tra cui il convertitore 121 siano già pienamente funzionali al primo istante in cui 1'oscillazione che contiene l'informazione del segnale 126 raggiunge il convertitore 121 stesso. In tali condizioni il sistema a microprocessore 122 è pertanto in grado di campionare il segnale 126 attraverso il convertitore 121 e codificarlo in una sequenza di numeri binari accumulati nella memoria 125. Il sistema a microprocessore 122 provvede inoltre ad elaborare la sequenza dei numeri campionati al fine di estrarre i parametri peculiari dell'emissione acustica, tra cui una misura dell'energia effettuata numericamente, per poter essere poi comunicati attraverso il canale 128 ad opportuni organi di telemetria, comunicazione e avvertimento (non illustrati).

Il sistema descritto nella Figura 5 permette di mantenere il sistema a microprocessore 122 in uno stato di quiescenza a basso consumo e di sospendere l'alimentazione al convertitore 121 e alle periferiche accessorie in assenza di segnale di emissioni acustica, senza però pregiudicare la possibilità di campionare e registrare correttamente il segnale di emissione acustica stesso nella sua interezza .

Il sistema descritto nella Figura 5 è pertanto caratterizzato da un consumo di energia compatibile con la possibilità operare per lunghi periodi se alimentate da una singola pila di piccole dimensioni ed inoltre, in considerazione del tipo di elaborazione numerica del segnale che permette di valutare il valore di energia dell'emissione acustica, garantisce che la dinamica di misura non risulti limitata da un valore di tensione di alimentazione contenuto.

E' inoltre possibile concepire una semplificazione (non illustrata) del sistema descritto nella Figura 5 in cui non sia presente il rettificatore ideale 7 e la sinterizzazione del segnale 24 sia demandata ad una coppia di comparatori con isteresi connessa in modo da analizzare il segnale sull'ingresso rispettivamente invertente e non invertente confrontandolo ad una tensione di soglia rispettivamente positiva e negativa di valore assoluto opportuno, e in cui le uscite di tali comparatori siano elaborati da una logica additiva tale da produrre un segnale che si porti ad un livello logico convenzionale durante tutto l'intervallo di tempo in cui il segnale 20 riproduce l'oscillazione del treno di onde dell'emissione acustica .

Detta semplificazione sopra descritta può inoltre essere impiegata per la produzione del segnale 24 anche nel caso della soluzione descritta nella Figura 1.

Risulta infine chiaro che modifiche e varianti possono essere apportate al dispositivo descritto senza peraltro uscire dall'ambito di tutela della presente invenzione.

Claims (27)

1. "DISPOSITIVO A BASSO CONSUMO PER IL MONITORAGGIO CONTINUATIVO A LUNGO TERMINE DELL'EMISSIONE ACUSTICA CON REGISTRAZIONE DI PARAMETRI PECULIARI AD ESSA RELATIVI" 1. Un metodo per il monitoraggio dello stato di salute di una struttura (1) o di una porzione di materiale, attraverso la misura dell'energia di ogni evento di emissione acustica prodotta dall'evoluzione del danno e caratterizzato dal fatto che: la capacità di rilevare ed elaborare gli eventi di emissione acustica è strettamente continua nel tempo, e la capacità di rilevare ed elaborare gli eventi di emissione acustica non è mai neppure solo parzialmente sospesa o ridotta in conseguenza di una politica di riduzione del consumo di energia che è perseguita durante gli intervalli di tempo caratterizzati dall'assenza di eventi di emissione acustica, e ciascun evento di emissione acustica è elaborato in maniera adeguata e precisa anche in situazioni fisiche caratterizzate da eventi di emissione acustica rari ed isolati, e la misura dell'energia di ciascun evento di emissione acustica è valutata integrando con precisione nel tempo il rigoroso valore assoluto del segnale di emissione acustica, attraverso un sistema di elaborazione che sia caratterizzato da una dinamica di misura non limitata dalla massima tensione di alimentazione .
2. 2. Un metodo secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che la misura dell'energia di emissione acustica risulta essere codificata in termini di numero di impulsi di un singolo segnale logico .
3. 3. Un apparato per monitorare lo stato di salute di una struttura o di una porzione di materiale attraverso la rilevazione della sua emissione acustica caratterizzato dal fatto che: ha tipologia realizzativa ed operatività funzionale tali da assicurare che la capacità di rilevare ed elaborare l'emissione acustica sia strettamente continuativa nel tempo, e ha tipologia realizzativa ed operatività funzionale tali da assicurare che la capacità di rilevare ed elaborare l'emissione acustica non è mai sospesa o ridotta quando l'alimentazione ad almeno uno dei suoi sottosistemi è sospesa o ridotta al fine di ridurre il consumo di energia durante gli intervalli di tempo caratterizzati dall'assenza di eventi di emissione acustica, e è adatto ad essere impiegato in situazioni fisiche dove gli eventi di emissione acustica sono isolati e rari, e è adatto ad essere alimentato per almeno 6 anni da una singola pila primaria avente volume inferiore a 225 cm<3>, e comprende almeno un dispositivo per elaborare istante per istante la componente variabile in funzione del tempo del segnale di emissione acustica al fine di valutarne il segnale del valore assoluto istante per istante, e comprende almeno un dispositivo per misurare l'energia di emissione acustica integrando nel tempo in maniera accurata il suddetto segnale del valore assoluto istante per istante, e il suddetto dispositivo per misurare l'energia di emissione acustica è caratterizzato da un campo dinamico della misura in uscita che non è limitato dal massimo valore della tensione di alimentazione.
4. 4. Un apparato secondo la rivendicazione 3 caratterizzato dal fatto che la misura dell'energia di emissione acustica è codificata in termini di numero di impulsi di un singolo segnale logico.
5. 5. Un apparato secondo la rivendicazione 4 caratterizzato dal fatto che la misura dell'energia di emissione acustica è ottenuta elaborando la componente variabile nel tempo del segnale dell'emissione acustica (10) mediante almeno un circuito rettificatore a valore assoluto (7), e iniettando il segnale rettificato (21) nell'ingresso di integrazione di un integratore analogico attivo azzerabile (10) al fine di ottenere un segnale integrato monotono (26) che è comparato ad un valore di soglia (27) da un comparatore (il) al fine di attivare un multivibratore monostabile (12) quando la suddetta soglia viene attraversata nella giusta direzione, producendo in tal modo un impulso in almeno un segnale logico (28) che codifica la rivelazione di un quanto della energia da misura e che è anche usato attraverso una opportuna rete logica (13) per azzerare l'integratore (10) e ripristinare lo stato del circuito che consente la rivelazione di un eventuale quanto di energia successivo .
6. 6. Un apparato secondo la rivendicazione 5 caratterizzato dal fatto che : la funzione di integratore attivo azzerabile (10) è implementata mediante un circuito (100) che comprende un amplificatore differenziale (104) dotato di retroazione negativa con un condensatore (105) e che riceve il segnale integrando sul proprio ingresso invertente attraverso una resistenza (103) e riceve una tensione di polarizzazione adeguata sul proprio ingresso non invertente, e che comprende mezzi di commutazione (106a, 196b) deputati ad azzerare l'integratore forzandone rispettivamente (106a) l'ingresso invertente alla tensione di alimentazione negativa e (106b) l'ingresso non invertente alla tensione di alimentazione positiva; e le funzioni di comparatore (11) e monostabile (12) sono implementate mediante un circuito che comprende un comparatore analogico (108) che riceve l'uscita dell'integratore (107) sul proprio ingresso invertente mentre il proprio ingresso non invertente riceve sia una tensione di soglia opportuna attraverso una resistenza (109), ed una retroazione attraverso un condensatore (111), in modo tale che la propria uscita (110) produca un segnale logico (28) che pulsi con larghezza di impulso non inferiore ad un valore minimo, quando l'uscita dell'integratore raggiunge il valore di soglia e cioè quando ciascun quanto di energia è rivelato; e lo stesso segnale logico (28) è anche connesso in modo tale che ciascun impulso azzeri il circuito integratore (100) agendo sui mezzi di commutazione (106a, 106b).
7. 7. Un apparato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 5 o 6 caratterizzato dal fatto che il valore assoluto istante per istante della componente variabile nel tempo (43) del segnale di emissione acustica è ottenuto implementando un circuito rettificatore ad onda intera.
8. 8. Un apparato secondo la rivendicazione 7 caratterizzato dal fatto che il citato circuito rettificatore ad onda intera è implementato mediante un raddrizzatore a ponte.
9. 9. Un apparato secondo la rivendicazione 8 caratterizzato dal fatto che il citato raddrizzatore a ponte comprende quattro diodi a semiconduttore in cui in un primo gruppo di due i diodi sono connessi anodo contro anodo, e in un secondo gruppo di due i diodi sono connessi catodo contro catodo, e i due gruppi sono interconnessi in modo da realizzare due connessioni anodo contro catodo distinte dalle precedenti .
10. 10. Un apparato secondo la rivendicazione 8 caratterizzato dal fatto che il citato raddrizzatore a ponte comprende quattro transistor MOSFET ciascuno avente il proprio "gate" cortocircuitato al proprio "source" e connessi tra loro in un circuito in cui in un primo gruppo di due i MOSFET sono connessi "drain" contro "drain", e in un secondo gruppo di due i MOSFET sono connessi "source" contro "source", e i due gruppi sono interconnessi in modo da realizzare due connessioni "drain" contro "source" distinte dalle precedenti.
11. 11. Un apparato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 5 o 6 caratterizzato dal fatto che il valore assoluto istante per istante della componente variabile nel tempo (43) del segnale di emissione acustica è ottenuto implementando un circuito comprendente almeno un trasformatore (45), il cui primario risulta pilotato da detta componente del segnale (43), ed avente almeno due gruppi di uscite del secondario (47, 48, 49, 50) in cui ciascun gruppo emette almeno un segnale di controllo (51a/b, 54a/b) ed un segnale rettificando (52a/b, 55a/b), e ciascun gruppo di uscite è collegato insieme con un transistor (53, 56), con il terminale di massa (58) e con il terminale di uscita (57) in un circuito tale per cui detto transistor (53, 56) è comandato nello stato di "acceso" dal segnale di controllo solo per una frazione del ciclo d'onda del segnale pilota (43) e mentre si trova nello stato "acceso" è permessa la circolazione di corrente attraverso l'uscita del segnale rettificando rispettando il verso di circolazione cui è associata una tensione nonnegativa al terminale di uscita (57) del segnale rettificato (59a/b) , mentre lo stesso transistor è mantenuto "spento" per la porzione rimanente del ciclo d'onda del segnale pilota (43) in tal modo prevenendo la circolazione di corrente attraverso lo stesso percorso; e in cui ciascun gruppo di uscite secondarie collegate come sopra esposto permette la circolazione di corrente attraverso la propria uscita del segnale rettificando in una diversa specifica frazione del ciclo d'onda del segnale pilota (43) in modo tale che sul terminale di uscita (57) si produca una corretta ricostruzione del segnale rettificato ad onda intera (59a/b).
12. 12. Un apparato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 5, 6 o 11 che comprenda un trasformatore (45) con un avvolgimento primario (44) pilotato dalla componente variabile nel tempo (43) del segnale di emissione acustica e con quattro avvolgimenti o parti di avvolgimento secondario accoppiati all'avvolgimento primario (44) per induzione magnetica; e in cui il primo avvolgimento secondario (47) e il secondo avvolgimento secondario (48) hanno entrambi lo stesso senso di avvolgimento del primario (44); e in cui il primo secondario (47) è collegato in modo da produrre un segnale riferito a massa (58) in fase con il segnale pilota (43), e tale segnale è applicato al "gate" di un primo MOSFET a canale "n" (53) avente "source" collegato a massa e "drain" collegato ad un estremo del secondo avvolgimento secondario (48) tale per cui la circolazione di corrente vi è permessa solo nel senso associato alla presenza di una tensione positiva all'estremo opposto dello stesso avvolgimento quando il suddetto MOSFET è mantenuto in saturazione dal segnale che è applicato al suo stesso "gate" durante un solo semiciclo del segnale pilota (43); e in cui il trasformatore (45) ha un terzo (49) e un quarto (50) avvolgimenti secondari aventi entrambi senso di avvolgimento opposto a quello del primo secondario (47); e il terzo secondario (49) collegato in modo da generare un segnale invertito riferito a massa (58) con fase opposta rispetto a quella del segnale pilota (43), e tale segnale invertito è applicato al "gate" di un secondo MOSFET (56) di tipo uguale a quello del primo MOSFET (53) e avente "source" connesso a massa (58) e "drain" connesso ad un capo del quarto avvolgimento secondario (50) tale per cui vi è permessa circolazione di corrente solo nel verso associato con una tensione positiva al capo opposto dello stesso avvolgimento quando il secondo MOSFET (56) è portato in saturazione dal segnale applicato al suo "gate" durante il secondo semiciclo del segnale pilota (43) ; e il segnale rettificato è reso disponibile al terminale di uscita (57) che connette insieme i capi del secondo e del quarto secondario (48, 50) ai quali sono indotti le già menzionate tensioni positive.
13. 13. Un apparato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 11, 12 o 13 caratterizzato dal fatto che almeno uno dei transistor citati (53, 56) sono dispositivi caratterizzati da un valore nullo o trascurabile per la tensione di soglia che, applicata tra "gate" e "source" porta il transistor in saturazione .
14. 14. Un apparato secondo la rivendicazione 13 caratterizzato dal fatto che almeno uno dei transistor (53, 56) citati è un MOSFET a canale "n" di tipo "zero threshold" "Electrically Programmatile Analog Device" come quelli prodotti dalla azienda "Advanced Linear Devices, Ine." (CA, USA).
15. 15. Un apparato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 o 14 che comprenda almeno un sistema per acquisire il numero di impulsi del singolo segnale logico (28) che codifica la misura dell'energia di emissione acustica .
16. 16. Un apparato secondo la rivendicazione 15 che comprenda : almeno un sistema (9) per rilevare individualmente ciascun singolo evento di emissione acustica identificato come un treno continuo di ondulazioni limitato nel tempo; e almeno un sistema per discriminare ed acquisire selettivamente il numero di impulsi del segnale logico (28) che codifica la misura dell'energia di emissione acustica, che si verificano durante ciascun singolo evento di emissione acustica.
17. 17. Un apparato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 o 16 comprendente almeno un sistema per rilevare quando il segnale di emissione acustica (20) in procinto di essere elaborato satura, cioè raggiunge uno qualsiasi dei limiti superiore o inferiore del proprio campo di variabilità.
18. 18. Un apparato per monitorare lo stato di salute di una struttura (1) o di una porzione di materiale attraverso la rilevazione della sua emissione acustica e caratterizzato dal fatto che: ha tipologia realizzativa ed operatività funzionale tali da assicurare che la capacità di rilevare ed elaborare l'emissione acustica sia strettamente continuativa nel tempo, e ha tipologia realizzativa ed operatività funzionale tali da assicurare che la capacità di rilevare ed elaborare l'emissione acustica non è mai sospesa o ridotta quando l'alimentazione ad almeno uno dei suoi sottosistemi è sospesa o ridotta al fine di ridurre il consumo di energia durante gli intervalli di tempo caratterizzati dall'assenza di eventi di emissione acustica, e è adatto ad essere impiegato in situazioni fisiche dove gli eventi di emissione acustica sono isolati e rari, e è adatto ad essere alimentato per almeno 6 anni da una singola pila primaria avente volume inferiore a 225 cm<3>, e comprende almeno un dispositivo (9) atto a rilevare l'inizio di ciascun singolo evento di emissione acustica identificato da un treno continuo e limitato nel tempo di oscillazioni del segnale, e comprende almeno un dispositivo (120) per produrre un segnale ritardato avente lo stesso contenuto di informazione del segnale di emissione acustica originale (20) ma che sia traslato in avanti nel tempo rispetto all'istante in cui l'inizio dell'evento è rilevata dal dispositivo (9) sopra citato, e comprende almeno un dispositivo di misurare per almeno un parametro peculiare del suddetto segnale di emissione acustica; e l'attività del suddetto dispositivo di misura è sospesa o almeno ridotta ai fini del risparmio energetico durante gli intervalli di tempo caratterizzati dall'assenza di eventi di emissione acustica; e la ripresa dell'attività del suddetto dispositivo di misura è scatenata dalla rivelazione dell'inizio di un evento di emissione acustica, e il segnale ritardato (126) è fornito al sistema di misura ed esso ha un ritardo (127) sufficiente per assicurare che il segnale che contiene l'informazione relativa all'emissione acustica viene elaborato solo dopo che il sistema di misura ha ripreso un adeguato grado di attività.
19. 19. Un apparato secondo la rivendicazione 18 caratterizzato dal fatto che il citato dispositivo di misura produce almeno una misura dell'energia di emissione acustica integrando nel tempo il valore assoluto istante per istante della componente variabile nel tempo del segnale di emissione acustica; e in cui il suddetto dispositivo di misura è caratterizzato dal fatto che la dinamica del valore misurato in uscita non è limitata dal valore della tensione di alimentazione.
20. 20. Un apparato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 18 o 19 comprendente almeno un sistema (121) per digitalizzare il segnale ritardato di emissione acustica (126) in una sequenza di numeri binari, e caratterizzato dal fatto che la misura del suddetto parametro peculiare sia effettuata elaborando matematicamente detta sequenza di numeri.
21. 21. Un apparato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 15, 16, 17, 18, 19 o 20 comprendente almeno un sistema per immagazzinare i dati acquisiti e/o misurati.
22. 22. Un apparato secondo la rivendicazione 21 comprendente almeno un sistema per comunicare i dati immagazzinati ad almeno un operatore e/o ad almeno un dispositivo non necessariamente facente parte del presente apparato.
23. 23. Un apparato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21 o 22 comprendente almeno un sistema per rivelare il verificarsi di condizioni di danno sospetto analizzando i dati acquisiti e/o misurati.
24. 24. Un apparato secondo la rivendicazione 23 comprendente almeno un sistema per comunicare un segnale di avvertimento al verificarsi di condizioni di danno sospetto.
25. 25. Un apparato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 3, 4, 5 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 20, 21 22 r 23 o 24 comprendente : almeno un dispositivo per acquisire dati da almeno un sensore che misuri un parametro fisico diverso dall'emissione acustica, e almeno un sistema di controllo atto a comandare l'acquisizione dei dati dal suddetto sensore diverso dall'emissione acustica almeno quando è riscontrato un livello predeterminato di emissione acustica e/o una variazione dello stesso .
26. 26. Un apparato secondo la rivendicazione 25 comprendente almeno un sistema in grado di collegarsi ad una rete senza fili di telecomunicazione standardizzata e globalmente interconnessa.
27. 27. Un apparato secondo la rivendicazione 25 comprendente almeno una interfaccia di comunicazione di rete "WiFi", o almeno una interfaccia di comunicazione di rete "ZigBee", o almeno un modem cellulare GSM, o almeno un modem cellulare COMA, o almeno un modem cellulare UMTS, o almeno un modem cellulare WiMAX, o almeno un modem satellitare, o una qualsiasi combinazione delle periferiche di comunicazione elencate.