Multitone FSK for ultrasonic communication

Abstract-Traditional radio frequency communication schemes are not capable of transmitting signals through metal enclosures. However, in some applications it is necessary to transmit information to/from devices located inside metal enclosures, e.g., a closed shipping container in transit. A conformal ultrasonic communication system based on multi-tone FSK (MFSK) has been developed and evaluated using steel corner posts from shipping containers as the communication medium. The communication system is configurable, consisting of two or more modules. A module is mounted to a metal surface and utilizes an inexpensive ultrasonic transducer to send and receive modulated signals through the metal channel. A module also makes use of an inexpensive DSP chip for modulating and demodulating MFSK signals. For the shipping container application, experiments were conducted that achieve data rates of approximately 800 bps. Experiments related to two scenarios for the shipping container application were investigated: (1) communicating through one container and (2) communication between stacked containers. For the second case, experiments were conducted with modules on two separate corner posts that are under compressive load

Desenvolvimento de dispositivos para amplificação e pré-amplificação de sinais, para utilização em um sistema de comunicaçao por ultrassom através de paredes metálicas

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2013.O recente crescimento do segmento de exploração e produção de petróleo e gás no Brasil impulsionou o desenvolvimento de dispositivos para o monitoramento das condições de operação de dutos. Atualmente são utilizados PIGs (Pipeline Inspection Gauges) inseridos na tubulação, cuja função pode variar desde limpeza até a medição de grandezas para avaliar, de forma off-line, a integridade dos dutos. Para avaliar as condições de operações de dutos, a utilização de técnicas convencionais de transmissão de dados entre transdutores instalados na parte externa e PIGs utilizando cabos é inviável devido à necessidade de perfuração da parede do duto. Tais procedimentos violam a integridade e podem provocar desastres ecológicos. Em contrapartida, a tecnologia de comunicação sem fio vem apresentando grande utilidade em diversas áreas da metrologia, devido à praticidade de instalação ou à necessidade de desacoplamento do sensor com a unidade de tratamento de sinais. Considerando que a maioria dos materiais de construção mecânica empregados na fabricação de tubos são metálicos, técnicas convencionais de transmissão de dados sem fio que utilizam radiofrequência apresentam limitações, devido à propriedade de blindagem eletromagnética dos materiais metálicos. Visando contornar os problemas provenientes da utilização de radiofrequência, no presente trabalho foram empregados transdutores piezoelétricos e transdutores acústicos eletromagnéticos, EMATs (do inglês, Electro Magnetic Acoustic Transducer), para geração de ultrassom em materiais metálicos. O objetivo foi desenvolver dispositivos para amplificação e pré-amplificação de sinais para uso em um sistema de comunicação dinâmica de dados por ultrassom através de paredes metálicas. Para a transmissão de sinais foi projetado e construído um módulo de amplificação capaz de fornecer tensão e corrente ao transdutor de emissão. A recepção contou com o desenvolvimento de quatro placas de pré-amplificação. A avaliação e a validação dos dispositivos desenvolvidos foram realizadas empregando diferentes combinações de transdutores EMATs e piezoelétricos para transmissão/recepção. Testes foram realizados, visando avaliar a eficiência das configurações, taxa de transferência (comunicação estática) e o número de pacotes recebidos (comunicação dinâmica)

Desenvolvimento de um sistema de comunicação dinâmica sem fio através de paredes metálicas

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2013.O conhecimento das reais condições de operação de dutos destinados ao transporte de óleo e gás é de fundamental importância econômica e social. O vazamento desses produtos acarreta, além dos prejuízos financeiros associados ao reparo do duto e ao desperdício de produtos, graves consequências para o local atingido.O monitoramento de deformações sofridas pelos dutos é um dos métodos mais utilizados na prevenção dessas falhas. Além disso, o monitoramento da sua inclinação também pode indicar que o duto sofreu, ou está sofrendo, esforços mecânicos que podem prejudicar sua integridade. Por esse motivo, é de interesse das empresas responsáveis a medição dessas grandezas, tanto pelo lado interno quanto pelo lado externo dos dutos. Grande parte dos dutos utilizados para transporte está enterrada ou submersa. Tal fato dificulta o acesso contínuo a diversos pontos do seu lado externo, considerados críticos do ponto de vista da sua integridade. No entanto, existem equipamentos, conhecidos como PIGs (do inglês, Pipeline Inspection Gauges), capazes de percorrer o lado interno, realizando limpeza, separação de produtos ou medições. Nesse contexto, o presente trabalho propõe uma abordagem inédita de comunicação sem fio, em movimento, através de paredes metálicas, entre transdutores instalados do lado de fora do duto e os PIGs. Para tanto, foram pesquisadas as principais tecnologias utilizadas em comunicação sem fio, considerando-se as dificuldades inerentes ao efeito de gaiola de Faraday, provocado pelas paredes de aço dos dutos. Estudos foram realizados para demonstrar as vantagens e limitações do emprego da radiofrequência e do ultrassom para a comunicação através de paredes metálicas. Para a comunicação por ultrassom, uma bancada foi desenvolvida e transdutores específicos, denominados EMATs (do inglês, Electromagnetic Acoustic Transducer), foram desenvolvidos e avaliados.Os resultados obtidos com esse trabalho servem não apenas para aplicação em dutos de óleo e gás, mas também para outras aplicações onde exista a necessidade de comunicação através de paredes metálicas.Abstract : The knowledge of real operation conditions of pipelines for transporting oil and gas is of fundamental economic and social importance. The leakage of these products, in addition to the financial losses associated with pipe repair and product waste, represents serious consequences for the affected area. The monitoring of pipelines strains is one of the most used methods for preventing these faults. Moreover, the monitoring of its tilting can also indicate that the pipeline has suffered, or is suffering, mechanical stresses that can damage its integrity. For this reason, it is of great interest the measurement of these quantities, inside and outside the duct. A large part of the pipeline used for transportation is buried or submerged. This fact complicates the continuous access of several points on the outside of the pipe, considered critical in terms of its integrity. However, there are devices, known as PIGs, (Pipeline Inspection Gauges) able to scroll through the inside of the pipes, performing cleaning, product separation or measurements. In this context, this work proposes a novel approach of wireless communication, in movement, through metal walls, between the transducers installed on the outside of the pipeline and the PIG. For this purpose, it was studied the main technologies used in wireless communications, considering the difficulties inherent of the Faraday cage effect, caused by the steel walls of the pipe. Studies were performed to demonstrate the advantages and limitations of the use of radiofrequency and ultrasound for communication through metal walls. For communication with ultrasound, a test bench was developed and specific transducers, called EMATs (Electromagnetic Acoustic Transducers) were developed and evaluated. The results obtained with this work serve not only for application in oil and gas pipelines, but also for other applications where there is a need for communication through metal walls