Home » Departamento de Sistemas y Control » Defensa Tesis Maestría : “Procesamiento de señales acústicas aplicado al monitoreo de procesos”

Defensa Tesis Maestría : “Procesamiento de señales acústicas aplicado al monitoreo de procesos”

Jueves 7 de marzo 15:00hs, Salón Rojo (piso 7, salón 703) – Facultad de Ingeniería, Julio Herrera y Reissig 565

Tenemos el agrado de invitarlos a la defensa de tesis de maestría de Florencia Blasina :  “Procesamiento de señales acústicas aplicado al monitoreo de procesos”

Tutor : Nicolás Pérez

Tribunal :  Leonardo Steinfeld,  Ismael Nuñez y Gonzalo Cetrangolo

Saludos,

Nicolás Pérez

Resumen :

Esta tesis consiste en conocer el estado del arte de algunas técnicas de procesamiento de señales acústicas de posible aplicación al monitoreo de procesos industriales. Mi interés por el tema surge de que formo parte de un grupo de trabajo en el que utilizamos ultrasonido de baja potencia como herramienta de estudio de procesos. De las técnicas estudiadas, experimenté con aplicaciones de medidas de atenuación, correlación y tiempo de vuelo y con la  focalización mediante inversión temporal. Una aplicación de atenuación y una de correlación dieron lugar a publicaciones, que se anexan al final del documento.

Esta tesis se organiza en nueve capítulos, comenzando por la introducción, luego dos principalmente conceptuales, uno sobre técnicas experimentales y equipos, cuatro experimentales y las conclusiones generales. También presento conclusiones al final de cada capítulo sobre lo visto en él. Los capítulos conceptuales tienen el objetivo de facilitar la lectura de la tesis, por lo que trato únicamente aspectos de interés directo al desarrollo de este trabajo.

En el segundo capítulo, presento conceptos básicos de ondas de ultrasonido.Hago énfasis en las diferencias entre medios de propagación, considerando líquidos y sólidos, pues en ambos se propagan las ondas longitudinales, pero las transversales solamente en los sólidos. Además, los sólidos que se clasifican como anisotrópicos tienen direcciones privilegiadas de propagación, en las que las ondas adquieren mayor velocidad. Planteo el cálculo de dichas velocidades en sólidos y su vínculo con las constantes elásticas que vinculan presión y deformación. Describo las principales características de la propagación de ondas: atenuación, difracción, dispersión y el vínculo de la impedancia acústica de dos medios con la reflexión y transferencia de energía en su interfaz.

En el tercer capítulo presento teoría básica de procesamiento de señales, como la transformada de Fourier, las funciones generalizadas, el principio de superposición, el concepto de muestreo y el cálculo de características como valor medio, varianza, potencia o energía. También presento conceptos como el de sistema, el diagrama de Bode, que es un tipo de representación en frecuencia del comportamiento de un sistema lineal y la relación señal a ruido. Para obtener mejor relación señal a ruido en la adquisición de señales, se puede utilizar el promediado, que puede hacerse por señales completas o sobremuestreando una única señal. El uso de filtros permite también eliminar frecuencias que contienen ruido y no información de interés. En este capítulo describo las ventanas temporales rectangulares y de Hanning, ya que toda señal al ser adquirida es enventanada con una ventana rectangular y la de Hanning permite recortar señales llevándolas a cero suavemente. Presento el concepto de interpolación, tanto en tiempo como en frecuencia, que consiste en predecir valores de los que no se adquirió muestra, explicando las hipótesis necesarias. Presento la función de correlación entre dos señales, que sirve para comparar la similitud de su forma y hago una revisión bibliográfica sobre la aplicación del US de baja potencia en la industria, principalmente la alimentaria, donde se destaca que no causa alteraciones en el material analizado.

También en el tercer capítulo presento dos técnicas más avanzadas de procesamiento de señales. Una de ellas es la transformada de Hilbert, de particular utilidad en el cálculo numérico, por ejemplo para implementar la derivación y hallar la envolvente de una señal. La otra técnica es la inversión temporal, que permite focalizar energía espacial en un instante dado y en un punto dado del espacio. En varias de las técnicas se requiere gran cantidad de transductores, pero una de ellas permite focalizar mediante un emisor y un receptor, al utilizar una cavidad caótica. Hice ensayos experimentales de esta técnica, buscando optimizar parámetros de adquisición.

En el cuarto capítulo presento algunas técnicas experimentales y equipos utilizados. Particularmente, presento los transductores de ultrasonido, de los cuales utilicé cerámicos de inmersión y de contacto, hidrófonos y membranas de PVDF. Explico factores físicos que pueden afectar la  amplitud de la señal, destacando la alineación de transductores cuando se trabaja con un emisor y un receptor independientes o la alineación del transductor con el plano reflector cuando se trabaja en modo pulso-eco. De las técnicas experimentales, doy ejemplos de caracterización de equipos: relevamiento de campo acústico, de la respuesta frecuencial de amplificadores y de estabilidad de la energía entregada por un pulsador. Planteo el procedimiento para comprobar que los amplificadores estén funcionando en zona lineal, cuidado que debe ser tenido en cuenta siempre al comienzo de los experimentos. Planteo las técnicas de medida de atenuación y de tiempo de vuelo, las que desarrollo con experimentos en los capítulos correspondientes. Finalmente, explico el método de Arquímedes para medida de densidad, que utilizo en el experimento de medida de tiempo de vuelo.

En el quinto capítulo, presento dos aplicaciones de la función de correlación. Una de ellas, consiste en detectar puntos de impacto en una placa plana mediante dos transductores piezoeléctricos pegados a la misma. Para ello utilicé la correlación de las señales que llegan a los transductores provocadas por el impacto cuyo punto se desea identificar, frente a señales almacenadas en una base de datos, cuyos puntos de impacto son conocidos. En este caso, elegí como característica de interés de la correlación el valor de su máximo. La repetitividad es crucial en esta aplicación.

La otra aplicación de la correlación con la que experimenté es el monitoreo de cambios en la estructura de un líquido, tomando el caso del proceso de coagulación de leche, fundamental en la industrial quesera. El sistema utilizado consiste en un transductor de inmersión funcionando en modo pulso-eco frente a un dispositivo multidifusor, sumergido en leche en proceso de coagulación a temperatura controlada. En este caso, tomé como característica de monitoreo el tiempo en el que se da el máximo de la correlación. Los resultados fueron buenos para obtener curvas que representan el proceso, en las cuales logré detectar automáticamente la transición entre dos de las etapas de la coagulación. Presenté en el congreso 2017 I2MTC (IEEE) el artículo sobre este tema “Development of a multiple-scattering acoustic sensor for process monitoring -Application to monitoring milk coagulation”, que adjunto en anexos, el cual fue publicado en los proceedings del congreso [6].

En el sexto capítulo presento dos experimentos que realicé de medidas de atenuación. En uno de ellos, estudié cómo varía la atenuación para distintas diluciones de leche en agua. En el otro, el medio consiste en pasta de aceitunas disuelta en agua. Calculé el coeficiente de atenuación por distancia recorrida, que es dependiente de la frecuencia de trabajo. En ambos experimentos utilicé un transductor de inmersión funcionando en modo pulso-eco en una celda que tiene un plano de reflexión ajustable. El primer experimento tiene potencial aplicación en la detección de adulteración de líquidos, para lo que requeriría la realización previa de una base de datos de calibración. El otro lo realicé con el objetivo de evaluar la posibilidad de generar ondas estacionarias en pasta de aceitunas, donde observé que la atenuación no permite la generación de este tipo de ondas, al menos para la frecuencia trabajada y recipientes de más de unos pocos centímetros de largo. En relación al segundo experimento, colaboré con un proyecto de investigación del Laboratorio de Grasas y Aceites de Facultad de Química, UdelaR. Mi trabajo consistió en relevar la atenuación del ultrasonido en pasta de aceitunas de carácter industrial, de la que se extrae aceite de oliva, en la que el grupo desea aplicar una técnica ultrasónica para mejorar el proceso de extracción. Este trabajo llevó a la publicación del artículo “Impact of sound attenuation on ultrasound-driven extractability improvements during olive oil extraction” [3], el cual adjunto en en anexos, publicado en la revista Ultrasonics Sonochemistry.

En el séptimo capítulo presento un experimento en el que utilicé la medida de tiempo de vuelo de ultrasonido en muestras planas de sólidos de espesor conocido para calcular la velocidad de propagación de ondas. Trabajé en el laboratório de ultrassom de la Universidade de São Paulo con materiales isotrópicos y uno unidireccionalmente anisotrópico, variando el ángulo de incidencia de la onda sobre la muestra. El sistema consistió en un transductor cerámico de inmersión como emisor y una membrana de PVDF como receptor, inmersos en agua. La muestra se sostiene en el centro y es girada por un goniómetro controlado desde un PC, para variar el ángulo de incidencia de las ondas sobre la misma. Verifiqué la independencia de la velocidad de propagación frente al ángulo de incidencia en las muestras isotrópicas y observé la dependencia en la muestra anisotrópica. El procesamiento de estas señales tuvo dos puntos principales, uno de ellos, vinculado a la identificación de las ondas transversales y longitudinales superpuestas en las señales adquiridas y sus tiempos de inicio. El aspecto desafiante fue el desarrollo de un método de compensación de offset para el ángulo de incidencia de las señales, dado que la alineación del ángulo de incidencia nula del goniómetro no es trivial. Los resultados obtenidos coinciden con los reportados en la bibliografía.

En el octavo capítulo presento la experimentación que llevé a cabo en cuanto a la focalización mediante inversión temporal. Busqué optimizar, variándolos de a uno, los siguientes parámetros, que afectan la calidad de la focalización, el tiempo de procesamiento o adquisición y los requisitos de memoria: largo de la ventana de adquisición, frecuencia de muestreo y número de promedios. Dependiendo del sistema estudiado, es posible encontrar óptimos en los que la calidad de la focalización tiene un máximo. En otros, la calidad se estanca, por lo que aumentar el parámetro en cuestión es un desperdicio de recursos. El sistema consistió en un transductor cerámico de inmersión como emisor y un hidrófono como receptor, con un dispositivo multidifusor. Inyecté en el sistema, mediante un generador de ondas arbitrarias, un sinc como señal impulsiva. Realicé la inversión temporal de la señal relevada por el hidrófono y la reinyecté en el transductor piezoeléctrico, esperando relevar una señal focalizada en el hidrófono. Tomé como factores de evaluación la relación de altura y ancho del foco, la energía en el máximo de la focalización en relación con la de la señal emitida y la simetría del foco. En este caso, hallé óptimos para la frecuencia demuestreo y el número de promedios, pero no para el largo de la ventana.

Realizar este trabajo me aportó importantes estrategias de adquisición y procesamiento de señales, conocimiento de herramientas teóricas con útiles aplicaciones prácticas, intuición en la resolución de problemas que se presentan en el desarrollo de los experimentos y conocimientos de técnicas y equipos vinculados al trabajo con ultrasonido en general. Está en mis planes continuar trabajando con estas herramientas, tanto en la aplicación al monitoreo de procesos como en otras aplicaciones, que pueden ser vinculadas por ejemplo a la salud o al monitoreo ambiental. En particular, comenzaré próximamente mi doctorado, cuyo tema de tesis será “Técnicas de sonido aplicadas al desarrollo de sensores meteorológicos”, en el que tendré la posibilidad de hacer uso de los conocimientos adquiridos en el desarrollo de la maestría.