ES2851174T3 - Espectro de frecuencias ultrasónicas integrado y generación de imágenes - Google Patents

Espectro de frecuencias ultrasónicas integrado y generación de imágenes Download PDF

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Abstract

Un aparato de mano (10) para probar el estado de una máquina o dispositivo usando señales ultrasónicas, que comprende: un conjunto de sensores ultrasónicos para recibir dichas señales ultrasónicas transmitidas desde la máquina o dispositivo; un primer circuito heterodino (106) acoplado para recibir señales de salida de los sensores ultrasónicos, y convertir las señales de salida en una señal de audio heterodina y enviar la señal de audio heterodina a un dispositivo de salida de audio; un segundo circuito heterodino (108) acoplado para recibir señales de salida de los sensores ultrasónicos y convertir las señales de salida en una señal de audio heterodina; un dispositivo de visualización (20); en donde la mejora comprende: un analizador de espectro digital integral al aparato de mano (10) configurado para realizar en la señal de audio heterodina recibida del segundo circuito heterodino (108), transformaciones rápidas de Fourier en tiempo real para formar espectros y crear serie cronológica de los mismos, dicho espectro y serie cronológica se compara en tiempo real con al menos un espectro obtenido previamente de la máquina o dispositivo, en donde la comparación se muestra en el dispositivo de visualización (20).

Description

DESCRIPCIÓN
Espectro de frecuencias ultrasónicas integrado y generación de imágenes
Antecedentes de la invención
a. Referencia cruzada a las solicitudes relacionadas
Esta solicitud está relacionada y reivindica el beneficio de la Solicitud de Patente Provisional de Estados Unidos con núm. de serie 61/325,194 presentada el 16 de abril de 2010 y titulada ON-BOARD ULTRASONIC FREQUENCY SPECTRUM AND IMAGE GENERATION. Esta solicitud también está relacionada con la solicitud de patente de Estados Unidos con núm. de serie [Expediente del abogado núm. 7415/0893-US2] titulada AN ULTRASONICALLY CONTROLLABLE GREASE DISPe Ns iNG TOOL, presentada concurrentemente con la presente.
b. Campo de la invención
La invención se refiere en general a detectores ultrasónicos y, más particularmente, a un aparato de mano que comprende un conjunto de sensores ultrasónicos para recibir una señal ultrasónica transmitida desde la máquina o dispositivo; un circuito heterodino acoplado para recibir las señales de salida de los sensores ultrasónicos y convertir las señales de salida en una señal de audio heterodina; y un dispositivo de visualización. Un aparato de este tipo se usa para detectar el estado de los rodamientos del motor y/o el arco eléctrico en los gabinetes eléctricos en ubicaciones muy separadas.
c. Descripción de la técnica relacionada
Se han usado sensores ultrasónicos para detectar energía ultrasónica generada por la fricción dentro de dispositivos mecánicos, como la creada por rodamientos desgastados, como se divulga en la Patente de Estados Unidos núm. Re. 33,977 de Goodman y otros, cuyo contenido se incorpora aquí por referencia en su totalidad. Cuanto mayor sea la fricción, mayor será la intensidad de la energía ultrasónica generada. La aplicación de un lubricante al dispositivo reduce la fricción y, en consecuencia, la intensidad de los ultrasonidos generados disminuye. La medición de la energía ultrasónica proporciona una forma de determinar cuándo la lubricación ha alcanzado las superficies generadoras de fricción. Además, los dispositivos defectuosos, como los rodamientos, generan un nivel más alto de energía ultrasónica que los buenos rodamientos y, por lo tanto, esta condición también puede detectarse.
En el pasado, se tomaban decisiones sobre cuándo lubricar los rodamientos en función del tiempo transcurrido desde la última aplicación de lubricante y la cantidad específica de lubricante añadida en ese momento. Normalmente, esta información se comparaba con las recomendaciones del fabricante. Sin embargo, una de las principales razones de la falla de los rodamientos es una lubricación inadecuada, no solo una falla en la lubricación. En particular, la lubricación excesiva puede ser un problema. Es conocido en la técnica combinar una herramienta de lubricación con un detector ultrasónico para ayudar a controlar la aplicación de lubricante a los rodamientos. Dichos dispositivos se divulgan en las Patentes de Estados Unidos núm. 6,122,966 y núm. 6,339,961 de Goodman y otros.
La formación de arco en equipos eléctricos, por ejemplo, de transformadores en gabinetes eléctricos, también produce señales ultrasónicas que pueden detectarse. Pueden encontrarse ejemplos de este uso en la Solicitud de Patente Publicada de Estados Unidos US2006/0209632-A de Goodman. Tanto los motores como los gabinetes eléctricos usados en grandes instalaciones pueden colocarse en ubicaciones muy separadas.
Dado que la energía acústica creada por rodamientos defectuosos y descarga de componentes eléctricos se encuentra en los rangos de frecuencia audible y ultrasónica, generalmente en el rango de 40 kHz, en entornos industriales ruidosos y audibles, el componente ultrasónico se detecta y localiza fácilmente. Por lo tanto, se proporcionan típicamente medios para heterodinar o demodular la señal detectada en el rango de audio, y hay varios esquemas disponibles para hacer esto.
Cuando se usa energía ultrasónica para detectar fugas, rodamientos desgastados, arcos eléctricos u otras fallas, es útil tener un sensor ultrasónico portátil que indique la presencia e intensidad de la energía ultrasónica tanto visual como audiblemente. Patente de los EE. UU. No. Re. 33,977 de Goodman y otros divulga un sensor ultrasónico que visualiza la intensidad de la señal detectada en un medidor de salida operable en modo lineal o logarítmico, y también proporciona salida de audio a través de auriculares. La patente de Estados Unidos núm. 4,987,769 de Peacock y otros divulga un detector ultrasónico que visualiza la amplitud de la señal ultrasónica detectada en una pantalla LED logarítmica de diez etapas. Sin embargo, el detector divulgado en Peacock no procesa la señal detectada para producir una respuesta audible, ni proporciona atenuación de la señal después de la etapa de preamplificación inicial.
Un dispositivo portátil que se ha usado en el pasado para detectar energía ultrasónica es el UE10,000 fabricado por UE Systems de Elmsford, NY. Este dispositivo está cubierto por las Patentes de Estados Unidos núm. 6,707,762, núm. 6,804,992 y núm. 6,996,030 de Goodman y otros. El UE10,000 detecta señales ultrasónicas de rodamientos desgastados y convierte las señales al rango de audio. Estas señales pueden escucharse por un operador que piensa en los auriculares como una forma de detectar fallas. La señal de audio puede guardarse y luego descargarse a un analizador de espectro externo para hacer determinaciones más precisas del estado de los rodamientos.
Después de un uso prolongado del equipo de detección, los operadores suelen empezar a usar sus oídos como guía para conocer el estado de los rodamientos del motor, en contraposición a las lecturas de amplitud en la pantalla LCD del dispositivo. Sin embargo, es extremadamente difícil para una persona discernir con sus oídos las diferencias entre las entradas que son representativas de los rodamientos que recién comienzan a desgastarse y los que están más desgastados. El uso del oído humano es una forma muy poco confiable de predecir fallas. Al enviar la señal a un analizador de espectro externo, esto puede superarse. La dificultad es que los motores con rodamientos sometidos a prueba pueden extenderse a grandes distancias. En el momento en que se han inspeccionado todos los motores, el detector portátil se ha devuelto a una instalación de mantenimiento y las señales de audio o heterodinadas almacenadas se descargan a un analizador de espectro, los rodamientos que son marginales pueden fallar. La falla total de los rodamientos puede dejar un motor inoperable durante un período de tiempo. En algunos casos, es muy perjudicial tener un motor fuera de servicio incluso por un período de tiempo reducido, por ejemplo, una bomba de refrigeración.
Además del aparato de detección ultrasónica, el UE 15000 también incluye una cámara con la que pueden grabarse imágenes de la máquina bajo prueba. Esto es útil para localizar e identificar un motor en particular que tiene un problema de rodamientos.
Sería ventajoso que los detectores ultrasónicos portátiles tuvieran la capacidad integrada para realizar análisis de espectro en las señales recibidas. Esto eliminaría el retraso de tiempo entre una lectura y la confirmación de la detección de una falla inminente en los rodamientos.
La predicción de fallas puede basarse no solo en el valor absoluto de una lectura, sino también en una comparación con una lectura anterior. Por ejemplo, un buen rodamiento puede producir una señal ultrasónica inusualmente grande, pero no estar en modo de falla. Si se detecta una señal constante durante un largo período de tiempo, es posible que no sea necesario realizar ninguna acción correctiva. Sin embargo, si el nivel aumenta con el tiempo, puede ser prudente reemplazar el rodamiento en el próximo momento conveniente. Por lo tanto, sería beneficioso además si el detector ultrasónico portátil tuviera un dispositivo de grabación y almacenamiento integrado que pueda usarse para comparar el sonido actual del elemento bajo prueba, por ejemplo, un rodamiento, con sonidos grabados previamente.
El documento GB 2337 118 A divulga un dispositivo de monitorización portátil que comprende una toma de sensor que permite instalar de forma intercambiable una variedad de sensores diferentes en el dispositivo de mano. El enchufe es preferiblemente una disposición de bayoneta. Los sensores contienen preferiblemente información de identificación, configurando así el dispositivo de monitorización para que funcione con dichos sensores. Los sensores son sensores ultrasónicos aéreos o una combinación de sensor ultrasónico y de temperatura. La señal ultrasónica pasa a través de un circuito de audio heterodino y luego se envía a los auriculares del usuario del dispositivo de mano.
El documento US 2006/0098533 A1 divulga un método y un aparato para la aplicación de la ecolocalización para guiar a un robot y ayudar a los ciegos. El método se basa en la ecolocalización de los murciélagos. Combina una fuente de ultrasonido pulsado con una sonda vectorial acústica desarrollada recientemente en un instrumento de ecolocalización, junto con un sistema de adquisición de datos, un procesador de señal digital y un dispositivo de salida.
El documento WO 2004/017038 A1 divulga un detector de defectos para maquinaria rotativa. Esta maquinaria es una herramienta para el diagnóstico de máquinas rotativas industriales. El detector recoge la onda sonora emitida por la máquina rotativa y se caracteriza por un colector de ondas sonoras de forma parabólica equipado en su interior con un micrófono tipo condensador, un amplificador electrónico, un conversor analógico/digital, un microordenador y un software de aplicación constituido, en primer lugar, por un filtro digital (basado en la teoría del análisis de predicción lineal con autoregresión) y, en segundo lugar, por una lógica numérica de análisis de frecuencia. Las señales se enviaron a un sistema de análisis independiente.
El documento US 5870699 A divulga un colector y analizador de datos portátil que logra una estabilidad, precisión y confiabilidad superiores mediante el uso de un filtro antisolapamiento de frecuencia fija y dos convertidores analógicos a digitales, uno para señales de alta frecuencia y otro para señales de baja frecuencia. El filtrado y diezmado digital eficiente se logra proporcionando filtros y diezmadores de hardware especializados e implementando filtros y diezmadores de software en un procesador de datos. Se emplea un método de zoom real para aprovechar las capacidades de filtrado y diezmado, y los procesadores de señales digitales independientes operan en serie en las señales entrantes para reducir aún más las demandas de la unidad central de procesamiento.
Resumen de la invención
En otra modalidad de la presente invención, un circuito Bluetooth convierte la señal de audio en señales inalámbricas de corto alcance que pueden ser captadas por un auricular que lleva el operador.
Los detectores ultrasónicos portátiles de mano de la técnica anterior están equipados con circuitos detectores analógicos para detectar señales ultrasónicas generadas por rodamientos defectuosos, descarga de componentes eléctricos o similares. Estas señales ultrasónicas se amplifican y demodulan al rango de audio donde un operador puede escucharlas en auriculares conectados por cable a la unidad portátil. La presente invención se refiere a un aparato portátil para probar el estado de una máquina o dispositivo usando señales ultrasónicas, que comprende: un conjunto de sensores ultrasónicos para recibir dichas señales ultrasónicas transmitidas desde la máquina o dispositivo; un primer circuito heterodino acoplado para recibir señales de salida de los sensores ultrasónicos, y convertir las señales de salida en una señal de audio heterodina y dar salida a la señal de audio heterodina a un dispositivo de salida de audio; un segundo circuito heterodino acoplado para recibir señales de salida de los sensores ultrasónicos y convertir las señales de salida en una señal de audio heterodina; un dispositivo de visualización; y en donde la mejora comprende: un analizador de espectro digital integral al aparato de mano configurado para realizar en la señal de audio heterodina recibida del segundo circuito heterodino, transformaciones de Fourier rápidas en tiempo real para formar espectros y crear serie cronológica de los mismos, dicho espectro y la comparación de serie cronológica en tiempo real con, al menos, un espectro obtenido anteriormente de la máquina o dispositivo, en donde la comparación se muestra en el dispositivo de visualización. De acuerdo con una modalidad de la invención, un dispositivo y un analizador de espectro digital se encuentran a bordo del detector ultrasónico portátil de mano. Este analizador de espectro realiza transformadas rápidas de Fourier de la señal. Así, el operador no solo puede escuchar la señal de audio derivada de la señal ultrasónica y observar el nivel de sonido, sino que el operador puede observar el espectro de la señal en una pantalla ubicada en el dispositivo portátil. Esto proporciona al operador la capacidad de realizar juicios muy precisos en tiempo real sobre el estado del rodamiento o transformador sin tener que depender simplemente de su audición.
En otra modalidad de la presente invención, un circuito Bluetooth convierte la señal de audio en señales inalámbricas de corto alcance que pueden ser captadas por un auricular que lleva el operador. Esto elimina la necesidad de un cable que conecte los auriculares a la unidad portátil.
Además, una modalidad del circuito Bluetooth puede incorporar reproducción de voz y los auriculares pueden incluir un micrófono. Por lo tanto, durante una prueba, un operador puede hacer comentarios verbales, que pasan del micrófono a través de la conexión Bluetooth a una grabadora de datos en la unidad portátil. El registrador de datos puede grabar la señal de audio creada por los rodamientos desgastados o el arco, junto con los comentarios del operador. Estos comentarios pueden incluir la impresión del operador sobre el sonido, información sobre el entorno en el que está funcionando el dispositivo (por ejemplo, lluvia intensa) o alguna sugerencia sobre la compensación de la condición defectuosa.
En una modalidad adicional, el dispositivo portátil puede tener un circuito Wi-Fi, de modo que se pueda efectuar una transmisión de señal de mayor alcance. Esto puede usarse para retransmitir los comentarios del operador a una instalación de mantenimiento local. En tal caso, los comentarios podrían ser una solicitud para que un equipo de reparación reemplace inmediatamente el equipo defectuoso.
Es una mejora adicional usar las conexiones Bluetooth y Wi-Fi para transmitir datos grabados a una estación base o red informática. Además, las conexiones Bluetooth y Wi-Fi pueden usarse para conectar e intercambiar datos con cualquier dispositivo de monitoreo de datos equipado de forma inalámbrica.
Una mejora adicional que puede proporcionar la presente invención es proporcionar almacenamiento en el detector portátil para la grabación de señales y/o espectros de audio heterodinados previos. Como resultado, los diagnósticos de la condición de falla pueden ser incluso más precisos porque el sonido y/o el espectro en uno o más momentos pasados pueden compararse en tiempo real con el sonido y/o espectro actual en el dispositivo portátil en la ubicación del motor de prueba o el gabinete eléctrico. Usando las conexiones Bluetooth y WiFi, una operación de mantenimiento central puede ser notificada inmediatamente de una falla inminente detectada de esta manera.
Como en los sistemas anteriores, la presente invención puede estar provista de una cámara que permite tomar una fotografía del dispositivo bajo prueba. A diferencia del pasado, esta imagen puede convertirse en parte de un archivo para el dispositivo bajo prueba, archivo que se almacena en el detector ultrasónico portátil. El archivo contendría la lectura del nivel de sonido, un espectro del audio, los comentarios del operador sobre la prueba y una imagen del dispositivo real. El archivo también puede contener lecturas y espectros anteriores. Además, la imagen puede tener la lectura actual como superposición. Una identificación tan precisa de los resultados de la prueba puede ayudar a reducir la responsabilidad de una empresa de mantenimiento de instalaciones. En particular, si puede demostrarse que el dispositivo funcionaba correctamente en la última prueba, la responsabilidad de la empresa de mantenimiento por una falla posterior a esa prueba puede reducirse.
Las fotos también pueden ayudar con la detección de fallas. Al comparar la imagen actual con una imagen anterior, pueden notarse cambios en el dispositivo bajo prueba. Si una imagen se forma como una superposición semitransparente sobre la otra, las diferencias se determinan más fácilmente.
Para mejorar la calidad de las fotografías tomadas con la cámara, puede proporcionarse una unidad de flash LED. Además, el detector puede estar provisto de un puntero láser para ayudar a apuntar con precisión la cámara. El puntero láser también puede formar parte de un dispositivo de medición de distancia, de modo que se puedan tomar fotografías desde la misma distancia en diferentes ocasiones sin mucha dificultad.
Por lo general, cuando se realizan pruebas en una instalación grande, se indica al operador que las realice en una ruta en particular. Debido a las imágenes almacenadas en el detector ultrasónico portátil, la guía de ruta puede ser visual, es decir, la ruta del operador puede establecerse mediante una serie de fotos de dónde debe ir el operador para el siguiente punto de prueba.
Las imágenes y los espectros pueden verse en una pantalla LCD proporcionada en el detector ultrasónico portátil. La pantalla LCD puede ser una pantalla táctil, de modo que los controles para operar el sistema también pueden proporcionarse en la pantalla en forma de una interfaz gráfica de usuario. Por lo tanto, el equipo puede usarse en entornos sucios y el uso de una pantalla táctil puede evitar que las partículas finas de suciedad dañen los controles. Además de la pantalla de visualización del detector ultrasónico portátil, las imágenes pueden transmitirse a través de una conexión inalámbrica a un dispositivo móvil, como un I-Phone o Blackberry. Por lo tanto, la imagen estaría disponible en un dispositivo móvil y remoto. Un supervisor podría llevar un dispositivo de este tipo, de modo que, si un operador tenía una pregunta sobre una imagen, podría enviarla al supervisor en tiempo real para analizar el estado de la máquina.
El almacenamiento de ultrasonidos heterodinados, imágenes y espectros puede realizarse en tarjetas de medios extraíbles, como una SD u otro tipo de medio extraíble. Esto permite que la información se cargue fácilmente en una computadora central o se descargue en el detector ultrasónico portátil de mano.
Otra modalidad más incluye un sensor de temperatura por infrarrojos. Los rodamientos que fallan con frecuencia o los componentes eléctricos que se descargan tienen una temperatura más alta que los dispositivos que funcionan normalmente. Por lo tanto, la temperatura puede registrarse para ayudar en la predicción de fallas. La medición de temperatura, al igual que las otras mediciones, puede almacenarse en el archivo del dispositivo bajo prueba y puede compararse con mediciones anteriores como una forma de diagnosticar fallas. Este sensor de temperatura infrarrojo puede ser un pirómetro puntual o un sensor de imagen infrarrojo.
Pueden establecerse características, ventajas y modalidades adicionales de la invención o ser evidentes a partir de la consideración de la siguiente descripción detallada, dibujos y reivindicaciones. Debe entenderse que tanto el resumen anterior de la invención como la siguiente descripción detallada son ilustrativos y están destinados a proporcionar una explicación adicional sin limitar el alcance de la invención según se reivindica.
Breve descripción de los dibujos
Las descripciones anteriores y siguientes de la invención se entenderán mejor con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
la Figura 1 es una vista en alzado lateral del detector ultrasónico portátil de mano de acuerdo con la presente invención;
la Figura 2 es una vista frontal ampliada del detector ultrasónico portátil de mano de acuerdo con la presente invención que muestra el detector y el sensor de temperatura;
la Figura 3 es una vista frontal ampliada de la sección del detector ultrasónico portátil de mano que muestra la cámara, el flash y el puntero láser:
la Figura 4 es una vista en alzado posterior del detector ultrasónico portátil de mano de acuerdo con la presente invención que muestra la pantalla de visualización táctil;
la Figura 5 es un diagrama de bloques de los circuitos del detector ultrasónico portátil de mano de acuerdo con la presente invención;
la Figura 6 es un diagrama de bloques del circuito frontal analógico de la Figura 5;
la Figura 7 es un diagrama de bloques de los circuitos del auricular Bluetooth, LAN cableada y concentrador USB de la Figura 5; y
la Figura 8 es un diagrama de bloques de la CPU principal de la Figura 5.
Descripción detallada de la modalidad preferida
Con referencia ahora a los dibujos, en donde los números de referencia similares designan las partes correspondientes en las diversas vistas. La Figura 1 es una vista lateral del detector ultrasónico portátil de mano 10 de la presente invención. Este incluye un asa 12 con un cuerpo principal 14 unido en su extremo superior. El cuerpo principal alberga los circuitos del detector. En la parte delantera del cuerpo principal hay una carcasa 16 en la que se encuentran uno o más transductores detectores ultrasónicos. En la parte trasera del cuerpo principal 14 hay una parte ampliada 18 en la que se ubica una pantalla de visualización táctil 20. Además, una ranura de memoria SD 22 está ubicada en la parte ampliada y puede recibir una o más tarjetas de memoria SD. La memoria SD se usa para almacenar datos actuales e históricos sobre señales de audio, sus espectros y fotografías.
Como se muestra en la Figura 2, el frente de la carcasa 16 tiene una cubierta de malla de alambre 17 para proteger los transductores. Situado en la superficie frontal del cuerpo principal 14 hay un sensor de infrarrojos 19. Este sensor puede usarse para medir la temperatura del motor o gabinete eléctrico bajo prueba. Un aumento de temperatura puede ser un signo de rodamientos desgastados o descarga de componentes eléctricos.
La Figura 3 muestra una vista ampliada de la superficie frontal inclinada de la parte ampliada 18. Incluye un puntero láser 24. El rayo láser de este puntero puede usarse para apuntar el detector de temperatura por infrarrojos. También puede usarse para apuntar una cámara 26 con un flash 27 que se encuentra en la parte ampliada y se proyecta desde su superficie frontal. Además, en una modalidad, el puntero láser 24 puede usarse como un dispositivo de medición de distancia, por ejemplo, de modo que las mediciones ultrasónicas o de temperatura se tomen desde la misma distancia del motor o gabinete eléctrico en diferentes ocasiones.
La Figura 4 ilustra la pantalla de visualización táctil 20 en la superficie trasera de la parte ampliada 18. En esta pantalla puede visualizarse la señal de audio y/o un espectro de una parte de esa señal. Además, las medidas de db pueden visualizarse junto con otra información detectada, por ejemplo, temperatura. Además, las imágenes tomadas por la cámara 26 pueden visualizarse con la otra información que aparece como una superposición.
La pantalla de visualización 20 también puede tener controles de operador visualizados en ella como parte de una interfaz gráfica de usuario. La CPU puede formar una imagen de un control en la pantalla. El operador puede tocar la pantalla adyacente a una de las imágenes de control y la CPU puede interpretar el toque como una dirección para cambiar el control, por ejemplo, los db o los rangos de sensibilidad o frecuencia. Además de la pantalla táctil, hay un botón de función especial 29 en la superficie trasera de la parte ampliada 18.
En la superficie trasera de la sección ampliada también hay una toma de auriculares 28 que puede recibir auriculares con cable. El operador puede usar estos auriculares para escuchar la señal de audio heterodinada y hacer una determinación inicial del estado de los rodamientos de un motor, la descarga eléctrica de un transformador en un gabinete eléctrico o una fuga de gas comprimido. Como se observará, además de los auriculares con cable, el detector también puede permitir que el operador escuche la señal de audio de forma inalámbrica a través de un circuito Bluetooth.
En la Figura 5 se muestra un diagrama de bloques de los circuitos del cuerpo principal 14 que controlan el detector. Físicamente, un circuito frontal analógico 30, un circuito de CPU front end 40, un circuito Bluetooth 50 y un circuito CPU principal 60 están apilados juntos y conectados por un bus que transporta las señales primarias, como la señal de audio WAV.
La señal ultrasónica de los rodamientos o la descarga de componentes eléctricos es captada por los transductores 15 y alimentada al front end analógico 30. En el front end 30, la señal se almacena en búfer, se amplifica y se convierte en una señal de audio WAV mediante circuitos heterodinos. La CPU front end 40 funciona como un subprocesador que transporta instrucciones detalladas de la CPU principal 60 (por ejemplo, genera voltajes para establecer la sensibilidad y la frecuencia en respuesta a la selección del operador en la pantalla táctil según la interpretación de la CPU principal) y de lo contrario pasa la señal WAV al circuito de Bluetooth 50. La CPU front end también recibe señales de sensor, por ejemplo, señales de duración de la batería y señales de temperatura del sensor de temperatura IR 41, y las envía a la CPU principal para su análisis. El circuito 50 de Bluetooth prepara la señal WAV para su transmisión a los auriculares 51 inalámbricos y también la pasa a la CPU principal. Además, el circuito Bluetooth proporciona un puerto USB inalámbrico 52 para una comunicación de amplio rango de la señal WAV.
La CPU principal 60 controla todas las funciones del detector. Convierte la señal WAV en un espectro al realizar una transformada rápida de Fourier en una parte de ella. Las salidas de la CPU principal se visualizan en la pantalla táctil 20. Además, controla el puntero láser 24, almacena datos y recupera datos de la memoria SD 22. La cámara y el flash 26 también están controlados por la CPU principal y reciben imágenes de la cámara para visualizarlas en la pantalla 20 y almacenarlas en la memoria SD 22. Un módulo Wi-Fi 25 también puede ser operado por la CPU principal 60.
La Figura 6 muestra el front end analógico del detector ultrasónico portátil de mano de la presente invención. Este circuito es similar al del detector modelo UE10,000 de UE Systems, como se divulga en la Patente de Estados Unidos núm. 6,707,762. El transductor 15 está conectado a la entrada 100 del circuito. La señal ultrasónica del transductor se almacena en el amplificador 102 y pasa a través del amplificador 104 controlado por voltaje. El ajuste del amplificador 104 lo controla el operador mediante la pantalla táctil. Las señales de la pantalla táctil son convertidas en señales digitales por la CPU principal y su salida establece la ganancia de este amplificador.
Como en el UE10,000, la señal ultrasónica se alimenta al primer circuito heterodino 106 y por separado al segundo circuito heterodino 108. Los circuitos heterodinos convierten la señal de frecuencia ultrasónica en una señal de audio. La salida de audio del circuito heterodino 106 se aplica al circuito convertidor DB 110, que genera una señal de CC que es equivalente a la amplitud de la señal de audio en dB. Esto se aplica a la CPU principal, que visualiza la información en la pantalla 20.
El segundo circuito heterodino 108 produce la señal WAV, que después de la amplificación por el circuito 109 se aplica a la CPU principal para muestreo y se somete a análisis de espectro.
El circuito Bluetooth de la Figura 7 está conectado al conector de auriculares de la CPU principal. A continuación, las señales se dirigen al circuito 120 de transmisión de Bluetooth, que tiene una antena 121. Por lo tanto, la señal puede transmitirse a corta distancia usando el protocolo Bluetooth desde la unidad de mano a un auricular Bluetooth o un altavoz y micrófono Bluetooth. Este circuito también incluye un circuito LAN cableado 124 que proporciona una conexión Ethernet a la CPU principal. El circuito de LAN 124 proporciona una salida a una red de área local, y quizás a Internet. Además, el circuito proporciona un amplificador 126 de audio auxiliar. Si se desean conexiones de mayor alcance, hay un concentrador Us B disponible como conexión Wi-Fi enchufable.
La Figura 8 muestra la placa CPU principal. Además de la CPU principal 130 que recibe la señal WAV, hay conexiones a la pantalla 20, un reloj de tiempo real 150 y dos ranuras para tarjetas Sd 160, 162, que juntas forman la ranura 22 de la Figura 1. Una de las ranuras recibe una tarjeta SD de alta densidad que proporciona memoria al sistema donde pueden almacenarse archivos WAV junto con imágenes fotográficas y señales de espectro. La CPU principal reconstruye el archivo WAV muestreado
La CPU principal controla todas las funciones del detector ultrasónico portátil de mano. Además, realiza un análisis complejo de la señal WAV. Por ejemplo, puede realizar transformadas rápidas de Fourier en la señal WAV y puede visualizar los resultados en la pantalla.
En funcionamiento, el detector ultrasónico portátil de mano 10 puede ser transportado por una instalación grande por un operador que verifica para asegurarse de que los rodamientos de los motores, bobinas de transformadores y dispositivos similares que emiten energía ultrasónica estén funcionando correctamente y no sea probable que fallen en un futuro próximo. Normalmente, el operador seguirá una ruta establecida por la instalación. Esta ruta puede incluirse como un archivo de texto en el propio detector. Sin embargo, una característica de la presente invención es que la ruta puede indicarse como una serie de fotografías que pueden guiar visualmente al operador de una estación de prueba a otra. La ruta original puede construirse usando la cámara 26 incorporada en el detector. Por tanto, en una fecha posterior, cuando se use la presente invención, el inspector puede determinar una ruta visual a partir de imágenes actuales y anteriores de las máquinas y las rutas que conectan las máquinas.
Cuando el detector se enciende en la ubicación del equipo que genera señales ultrasónicas, estas señales son detectadas por los transductores del equipo. Estas señales ultrasónicas son amplificadas y heterodinadas al rango de audio por el front end analógico 30 para que el operador pueda escucharlas en auriculares conectados por cable a la unidad portátil. En una modalidad de la presente invención, el circuito 50 de Bluetooth convierte la señal de audio (WAV) en señales inalámbricas de corto alcance que pueden ser captadas por un auricular inalámbrico que lleva el operador. Esto elimina la necesidad de un cable que conecte los auriculares a la unidad portátil.
Además, en una modalidad, el circuito Bluetooth puede incorporar voz y los auriculares pueden incluir un micrófono. Así, durante una prueba, un operador puede hacer comentarios verbales, que pasan del micrófono a través de la conexión Bluetooth a un registrador de datos en la unidad portátil 10. El registrador de datos puede grabar la señal de audio heterodinada creada por los rodamientos desgastados o el arco, junto con los comentarios del operador. Estos comentarios pueden incluir la impresión del operador sobre el sonido, información sobre el entorno en el que está funcionando el dispositivo (por ejemplo, lluvia intensa) o alguna sugerencia sobre la compensación de la condición defectuosa.
En una modalidad adicional, el dispositivo portátil puede tener un circuito Wi-Fi 25, de modo que se pueda efectuar una transmisión de señal de mayor alcance. Esto puede usarse para retransmitir los comentarios del operador a una instalación de mantenimiento local. En tal caso, los comentarios podrían ser una solicitud para que un equipo de reparación reemplace inmediatamente el equipo defectuoso.
En otra modalidad más de la invención, la CPU del detector puede realizar un análisis de espectro digital de la señal de audio a bordo del detector ultrasónico portátil de mano 10. Este análisis de espectro es creado por la CPU que realiza transformadas rápidas de Fourier de la señal. Así, el operador no solo puede escuchar la señal de audio derivada de la señal ultrasónica y observar el nivel de sonido, sino que el operador puede observar el espectro de la señal en la pantalla 20 ubicada en el dispositivo portátil. Esto proporciona al operador la capacidad de realizar juicios muy precisos en tiempo real sobre el estado del rodamiento o transformador sin tener que depender simplemente de su audición.
El almacenamiento en el detector portátil para la grabación de señales de audio y/o espectros previos es proporcionado por las tarjetas SD extraíbles 22. Esto permite que la información se cargue fácilmente en una computadora central o se descargue en el detector ultrasónico portátil de mano. Como resultado de esta capacidad de almacenamiento, el diagnóstico de la condición de falla puede ser aún más preciso porque el sonido y/o el espectro en uno o más momentos pasados pueden compararse en tiempo real con el sonido y/o espectro actual en el dispositivo portátil en la ubicación del motor de prueba o gabinete eléctrico. Usando las conexiones Bluetooth y Wi-Fi, una operación de mantenimiento central puede ser notificada inmediatamente de una falla inminente detectada de esta manera.
La cámara 26 permite tomar una fotografía del dispositivo bajo prueba. A diferencia del pasado, esta imagen puede formar parte de un archivo del dispositivo bajo prueba almacenado en el detector ultrasónico portátil. Este archivo puede contener la lectura del nivel de sonido, un espectro de la señal de audio, los comentarios del operador sobre la prueba y una imagen del dispositivo real. El archivo también puede contener lecturas y espectros anteriores. La imagen puede tener la lectura actual superpuesta. Esta identificación precisa de los resultados de las pruebas puede ayudar a reducir la responsabilidad de la empresa encargada del mantenimiento de la instalación. En particular, si puede demostrarse que el dispositivo funcionaba correctamente en la última prueba, la responsabilidad de la empresa de mantenimiento por una falla posterior a esa prueba puede reducirse.
Con el fin de mejorar la calidad de las imágenes tomadas con la cámara 26, puede proporcionarse una unidad de flash LED 27. Además, el detector puede estar provisto de un puntero láser para orientar con precisión la cámara (Figura 3). Además, el puntero láser 24 puede ser parte de un dispositivo de medición de distancia de modo que se puedan tomar imágenes desde la misma distancia en diferentes ocasiones sin mucha dificultad.
Las fotos tomadas con la cámara 26 también pueden ayudar con la detección de fallas. Al comparar la imagen actual con una imagen anterior, pueden notarse cambios en el dispositivo bajo prueba. Si una imagen se forma como una superposición semitransparente sobre la otra, las diferencias se determinan más fácilmente. Proporcionar imágenes a un usuario permite tomar una imagen de referencia con respecto al estado original de la máquina. Se prevé que estas imágenes pueden combinarse en una superposición compuesta para producir cambios visuales en el tiempo de la máquina bajo análisis a lo largo del tiempo. Esto proporciona información visual que demuestra la condición de tendencia tanto de la máquina como de las pruebas de diagnóstico a lo largo del tiempo. Así, por ejemplo, una decoloración de la carcasa del rodamiento que crece con el tiempo puede ser una indicación de exceso de calor. La pantalla LCD 20 ubicada en el detector ultrasónico portátil puede proporcionar una vista de imágenes y espectros. La pantalla LCD puede ser una pantalla táctil, de modo que los controles para operar el sistema también pueden proporcionarse en la pantalla en forma de una interfaz gráfica de usuario. De este modo, el equipo puede usarse en entornos sucios, ya que el uso de una pantalla táctil puede evitar que partículas finas de suciedad dañen los controles.
Otra modalidad más de la invención permite que los circuitos de Wi-Fi y Bluetooth proporcionen una transmisión bidireccional de datos a un ordenador base o red informática. Esto permite que los datos que se transmiten a la pantalla LCD también se reflejen en una unidad de red o en un terminal de acceso remoto para revisión externa. Además, el usuario del dispositivo portátil también puede enviar información específica y conjuntos de datos a usuarios adicionales para confirmación u opiniones alternativas con respecto al procedimiento adecuado. Al incorporar la comunicación inalámbrica, el usuario también puede acceder a una base de datos o servidor alojado de forma remota para comparar datos. La comparación de datos puede realizarse en tiempo real y puede permitir que las lecturas actuales tomadas del dispositivo de mano se comparen con lecturas anteriores del mismo dispositivo o de un dispositivo similar. Alternativamente, después de que se haya producido un evento de registro de datos, el dispositivo de mano puede usarse para comparar conjuntos de datos anteriores para visualizar cambios o alteraciones a lo largo del tiempo. Además, se prevé que el dispositivo portátil tenga la capacidad de usar datos adquiridos previamente para comparar datos registrados o datos en vivo con modelos analíticos.
Las funciones Wi-Fi y Bluetooth también proporcionan a la invención la capacidad de conectarse con cualquier dispositivo de grabación de información autónomo equipado de forma inalámbrica. A modo de ejemplo no limitativo, la presente invención puede compartir datos y controlar las funciones de un tacómetro óptico o estroboscópico, cámara IR, analizador de vibraciones o cualquier otro dispositivo configurado para detección ambiental. Como tal, los datos recopilados por la herramienta de diagnóstico antes o durante una operación de mantenimiento pueden almacenarse o acceder a través de una comunicación de red desde cualquier dispositivo accesible en red. Por lo tanto, la información de estas diversas fuentes externas puede combinarse en una única fuente de información en el detector.
Se prevé que un usuario de la invención tendrá acceso a una instalación de almacenamiento con una base de datos a través de una red. A través de ese acceso, el usuario puede transmitir datos continuos a la red para su análisis o almacenamiento remoto. Se prevé además que la base de datos tendrá entradas de datos seleccionables que estarán disponibles para el usuario para cargar o colaborar en los datos capturados por la presente invención.
Otra característica de la presente invención es la capacidad de transmitir datos localmente a través de una red adhoc a PDA, teléfonos inteligentes, netbooks, tabletas u otras plataformas de visualización y procesamiento de datos. También se prevé que se pueda acceder a los datos generados por la invención reivindicada o verlos de forma remota a través de plataformas móviles.
Otra característica de la presente invención es la presentación de instrucciones, demostraciones, procedimientos y tutoriales a un usuario, dependiendo de la tarea particular a realizar. La invención es capaz de seleccionar los materiales de instrucción apropiados del dispositivo de almacenamiento interno o de una base de datos accesible en red y presentarlos a un usuario de la invención según el contexto. A modo de ejemplo no limitativo, un usuario de la presente invención podría desear capturar datos relacionados con el espectro de audio. Por y a través de los elementos indicados, la invención proporcionaría instrucciones, visualizadas en el propio dispositivo, para los procedimientos y requisitos de seguridad necesarios para llevar a cabo esa tarea específica. Además, la característica de instrucción de la presente invención es capaz de grabar datos e imágenes de pantalla para proporcionar nueva información de instrucción o ejemplos para futuros usuarios. Por tanto, se prevé que el dispositivo de mano ultrasónico puede funcionar como un conducto para dirigir las instrucciones de la red a la herramienta de diagnóstico.
Se prevé que los datos capturados y transferidos a un dispositivo de almacenamiento local o remoto pueden ser, sin limitar la divulgación de los mismos, datos de audio, datos de temperatura, datos espectrográficos, información visual, datos de video, datos direccionales y de vibración o cualquier mecanismo configurado para capturar datos sobre condiciones y fenómenos físicos. A modo de ejemplo no limitativo, pueden proporcionarse datos locales o en red al dispositivo portátil y usarse para ajustar continuamente los sistemas de retroalimentación del usuario para dispositivos que tienen parámetros variables, como gradientes de temperatura cambiantes, velocidades variables, etc. Por ejemplo, el tempo o la cadencia de una alarma puede controlarse para que se corresponda con las condiciones variables dentro de un dispositivo que se va a analizar.
La presente invención es además capaz de capturar datos con respecto a fenómenos físicos particulares e interpretar esos datos con respecto al objetivo general de la captura y análisis de datos. A modo de ejemplo no limitativo, si la presente invención determina un cambio en las rpm de un variador de velocidad, las alarmas de audio pueden modificarse para reflejar las condiciones cambiantes del variador.
La presente invención es capaz de combinar varias entradas diferentes y usar esas entradas para determinar la calidad o condición general de un dispositivo o estructura. A modo de ejemplo no limitativo, la presente invención es capaz de combinar datos ambientales, tales como patrones de temperatura o resonancia acústica, y determinar a partir de esos puntos de datos si un dispositivo está funcionando correctamente o no. Como ejemplo, el detector ultrasónico de mano puede usarse para evaluar trampas de vapor. El escape de vapor de o a través de una trampa de este tipo generará señales ultrasónicas que pueden detectarse y medirse. Además, el sensor de infrarrojos o algún otro sensor de temperatura del dispositivo puede medir la temperatura en la trampa de vapor. Por lo tanto, el operador puede saber si la trampa de vapor es buena o mala según la temperatura y el nivel o patrón de sonido. Una modalidad adicional de la presente invención incluye la capacidad de conectarse a una herramienta de mantenimiento o diagnóstico a través de medios de comunicación inalámbrica. La herramienta de diagnóstico está configurada para ser controlable por el dispositivo portátil, así como para transmitir datos recopilados durante el uso al dispositivo portátil a través de medios inalámbricos. Se prevé que la herramienta de diagnóstico también incluya los medios para efectuar la reparación o el mantenimiento de un dispositivo o estructura. Por ejemplo, se prevé que el manipulador físico podría ser una herramienta dispensadora de agua, lubricante o grasa, con la capacidad de controlar tanto el nivel de material dispensado como la cantidad de material existente en el entorno.
Se prevé que los datos almacenados previamente sobre el entorno físico estén disponibles para el dispositivo portátil ultrasónico. El dispositivo sería capaz de proporcionar información estructural e histórica y podría tener la capacidad de tomar medidas del medio ambiente. Otra modalidad más incluye un sensor de temperatura por infrarrojos 41. Los rodamientos que fallan con frecuencia o los componentes eléctricos que se descargan tienen una temperatura más alta que los dispositivos que funcionan normalmente. Por lo tanto, la temperatura puede registrarse para ayudar en la predicción de fallas. La medición de temperatura, al igual que las otras mediciones, puede almacenarse en el archivo del dispositivo bajo prueba y puede compararse con mediciones anteriores como una forma de diagnosticar fallas.
Aunque en el presente documento se han descrito en detalle modalidades particulares de la invención con referencia a los dibujos adjuntos, debe entenderse que la invención no se limita a esas modalidades particulares, y que un experto en la técnica puede realizar varios cambios y modificaciones sin apartarse del alcance de la invención como se define en las reivindicaciones adjuntas.

Claims (24)

REIVINDICACIONES
1. Un aparato de mano (10) para probar el estado de una máquina o dispositivo usando señales ultrasónicas, que comprende:
un conjunto de sensores ultrasónicos para recibir dichas señales ultrasónicas transmitidas desde la máquina o dispositivo;
un primer circuito heterodino (106) acoplado para recibir señales de salida de los sensores ultrasónicos, y convertir las señales de salida en una señal de audio heterodina y enviar la señal de audio heterodina a un dispositivo de salida de audio; un segundo circuito heterodino (108) acoplado para recibir señales de salida de los sensores ultrasónicos y convertir las señales de salida en una señal de audio heterodina; un dispositivo de visualización (20); en donde la mejora comprende:
un analizador de espectro digital integral al aparato de mano (10) configurado para realizar en la señal de audio heterodina recibida del segundo circuito heterodino (108), transformaciones rápidas de Fourier en tiempo real para formar espectros y crear serie cronológica de los mismos, dicho espectro y serie cronológica se compara en tiempo real con al menos un espectro obtenido previamente de la máquina o dispositivo, en donde la comparación se muestra en el dispositivo de visualización (20).
2. El aparato de la reivindicación 1, que incluye además un procesador central (60) y en donde los sensores ultrasónicos, los circuitos heterodinos (106, 108) y las funciones de espectro digital están controlados por dicho procesador central.
3. El aparato de la reivindicación 2, en donde los circuitos heterodinos forman un front end analógico (30) y envían una señal digital al procesador central (60).
4. El aparato de la reivindicación 2, en donde el analizador de espectro digital es un módulo de software configurado para ejecutarse en el procesador central (60).
5. El aparato de la reivindicación 2, en donde el procesador central (60) está configurado además para conectarse a dicho dispositivo de visualización.
6. El aparato de la reivindicación 1 que incluye además una pluralidad de sensores ambientales y una pluralidad de dispositivos de transferencia de datos bidireccionales para enviar información hacia y desde dichos sensores.
7. El aparato de la reivindicación 6, en donde la pluralidad de dichos dispositivos de transferencia de datos bidireccionales pueden ser dispositivos cableados o inalámbricos.
8. El aparato de la reivindicación 7, en donde la pluralidad de dispositivos de transferencia de datos bidireccionales (25, 52) pueden configurarse para comunicarse usando Bluetooth, Wi-Fi, USB u otras frecuencias de RF disponibles.
9. El aparato de la reivindicación 8, en donde el circuito de Bluetooth (50) convierte la señal de audio en señales inalámbricas de corto alcance que pueden ser recibidas por un auricular (51).
10. El aparato de la reivindicación 9, en donde el circuito de Bluetooth (50) incorpora además funciones de reproducción de voz y/o grabadora de voz.
11. El aparato de la reivindicación 6, en donde los sensores ambientales pueden ser dispositivos de transmisión óptica tales como sensores IR (41), pirómetros, punteros láser (24), cámaras infrarrojas y de longitud de onda óptica (26) y telémetros de energía coherente o dirigida.
12. El aparato de la reivindicación 2, que incluye además un dispositivo de almacenamiento (22), una pluralidad de sensores ambientales y una pluralidad de dispositivos de transferencia de datos bidireccionales para enviar información hacia y desde dichos sensores, en donde el procesador (60) puede analizar y grabar datos en el dispositivo de almacenamiento (22) recibidos de dichos sensores ambientales.
13. El aparato de la reivindicación 1, que incluye además un dispositivo de almacenamiento (22).
14. El aparato de la reivindicación 13, en donde el dispositivo de almacenamiento (22) es un dispositivo de almacenamiento extraíble que incluye tarjetas de almacenamiento de medios extraíbles.
15. El aparato de acuerdo con la reivindicación 12, en donde los datos almacenados pueden transferirse entre el aparato y una red informática o una estación base informática usando frecuencias de RF.
16. El aparato de acuerdo con la reivindicación 13, en donde el dispositivo de almacenamiento (22) está configurado para almacenar datos de audio y/o visuales.
17. El aparato de acuerdo con la reivindicación 5, en donde el dispositivo de visualización (20) es una pantalla de visualización táctil capaz de transmitir la entrada del usuario al procesador central.
18. El aparato de la reivindicación 5 que incluye además un dispositivo de almacenamiento (22) configurado para almacenar datos de audio y/o visuales, en donde el dispositivo de visualización (20) es capaz de visualizar simultáneamente datos del analizador de espectro digital y datos visuales almacenados en forma de una imagen de referencia.
19. El aparato de la reivindicación 1, que incluye además un procesador central (60) para controlar el aparato de mano (10), un dispositivo de almacenamiento (22) conectado al procesador (60) y almacenar datos del analizador de espectro, un dispositivo de visualización (20) conectado al procesador (60) y que visualiza información del procesador (60), al menos un sensor ambiental cuya salida puede almacenarse en el dispositivo de almacenamiento (22), y una cámara (26) para crear una imagen de la máquina bajo prueba y almacenar la imagen en el dispositivo de almacenamiento (22), en donde el procesador (60) hace que el dispositivo de visualización (20) muestre la imagen de la máquina con al menos uno de los datos del analizador y los datos del sensor incrustados en el mismo.
20. El aparato de la reivindicación 5, que incluye además un dispositivo de almacenamiento (22) configurado para almacenar datos de audio y/o visuales, en donde el dispositivo de almacenamiento (22) se ha almacenado allí en una secuencia de imágenes de máquinas correspondientes a una ruta específica de acuerdo con la cual se van a probar las máquinas, y dicho procesador (60) hace que el dispositivo de visualización (20) visualice dichas imágenes en secuencia de acuerdo con la ruta.
21. El aparato de la reivindicación 5, que incluye además un dispositivo de almacenamiento (22) configurado para almacenar datos de audio y/o visuales, en donde el dispositivo de almacenamiento (22) se ha almacenado allí en una secuencia de imágenes de pasos de procedimiento necesarios para probar adecuadamente el estado del dispositivo o máquina, y dicho procesador (60) hace que el dispositivo de visualización (20) visualice los pasos de acuerdo con el procedimiento.
22. El aparato de la reivindicación 18, en donde cada ruta es un archivo único compuesto por imágenes.
23. El aparato de la reivindicación 19, en donde cada serie de pasos de procedimiento es un archivo único compuesto por imágenes.
24. El aparato de la reivindicación 2 que incluye además un dispositivo de almacenamiento (22), y en donde el procesador (60) está configurado para comparar el análisis de señales digitales en tiempo real con el análisis de señales digitales previamente almacenado en dicho dispositivo de almacenamiento (22).
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