СЕЛЕКТИВНЫЙ РЕЗОНАНСНО ВИХРЕТОКОВЫЙ МЕТАЛЛОИСКАТЕЛЬ
SELECTIVE RESONANCE EDDY-CURRENT METAL DETECTOR

Заявленное техническое решение относится к резонансным металлоискателям и может быть использовано для поиска или обнаружения скрытых металлических предметов в различных отраслях промышленности.
Наиболее близким из уровня техники является металлоискатель (патент GB2104660 от 1983-03-09), способный обнаруживать металлические предметы, захороненные в минерализованной почве. Металлоискатель содержит генератор детектор, который свободно работает для генерации сигнала передачи и имеет резонансный контур резервуара, включающий в себя резервуарный конденсатор; катушку датчика, как для передачи, так и для приема сигналов с помощью одной и той же катушки, подключенной к резервуарному конденсатору, чтобы формировать упомянутую резонансную цепь резервуара и создавать электромагнитное поле, когда упомянутый сигнал передачи передается через упомянутые катушечные средства. Цепь резервуара имеет две параллельные ветви, содержащие упомянутое средство катушки и упомянутый конденсатор емкости в разных ветвях, и формирует выходной сигнал приема, когда металлический объект находится в поле упомянутого средства катушки датчика; и средство компенсации температуры для указанного средства катушки, включая средства для обеспечения указанного средства катушки с электрическим сопротивлением и индуктивностью, имеющими такие значения, что резистивная составляющая и напряжение вихревого тока, индуцируемое в средстве катушки его собственными вихревыми токами, по существу равны сопротивлению падение напряжения на указанном катушечном средстве.
Недостатком данного технического решения является недостаточная точность определения состава, прочностных характеристик, объемных характеристик металлических объектов.
Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение является разработка бесконтактного металлоискателя, обеспечивающего анализ состава, прочностных и объемных характеристик металлических объектов.
Данная задача решается тем, что селективный резонансно-вихретоковый металлоискатель включает измерительную катушку индуктивности, измерительный аналоговый генератор преобразователь, цифровой преобразователь длительности импульсов, вычислительный микроконтроллер, дисплей, клавиатуру, звуковую и световую индикацию, генератор также содержит два конденсатора, токоограничительный резистор, дифференциальный операционный усилитель, полупроводниковый логический элемент ИЛИ-НЕ, при этом катушка индуктивности и конденсаторы установлены в цепи обратной связи генератора, их номиналы задают основную резонансную частоту колебательного контура в обратной связи генератора и устанавливают выходную частоту генератора, питание колебательного контура осуществляется через резистор, на резисторе дифференциальным усилителем измеряется сигнал падения напряжения, с выхода дифференциального усилителя поступает частотный сигнал 1, отображающий изменение тока питающего измерительную катушку в колебательном контуре, сигнал 2 снимается с выхода генератора, изменение его частоты характеризуется попаданием в область электромагнитного поля катушки металлического предмета, меняющего индуктивность измерительной катушки, при этом фазовый сдвиг сигнала 1 от сигнала 2 характеризует удельную электропроводность обнаруженного металла, для определения магнитоиндукционной характеристики и характеристики проводимости объекта используется соотношение значений изменения реактивной мощности колебательного контура измерительного генератора и значений изменения частоты в цепи положительной обратной связи генератора, образованной колебательным контуром с измерительной катушкой индуктивности.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является повышение точности определения состава, прочностных характеристик, объемных характеристик металлических объектов. Данный технический результат достигается за счет измерения соотношения проводимости и индуктивности металлических объектов.
Заявленное техническое решение может применяться:
- для поиска металлических объектов в грунте, в археологии, кладоискательстве, спасательных операциях, военных задачах по разминированию,
- в пищевой промышленности для обнаружения металлических объектов, попавших из оборудования в пищевой продукт,
- в строительстве для обнаружения медных или алюминиевых проводников с целью обхода при сверлении или для задач извлечения и восстановления целостности проводников,
- в дорожном строительстве с целью обнаружения металлических объектов под дорожным покрытием с целью предупреждения поломки дорожной машины при попадании металла в рабочий инструмент,
- в медицине для поиска пули или осколков в теле человека,
- в прачечной отрасли для контроля текстильных изделий на предмет оставшихся в них острых металлических предметов способных повредить механизм стиральной машины
- в области досмотра граждан и багажа на предмет обнаружения запрещенных к проносу металлических предметов
- и в любой другой отрасли промышленности.
Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежами, на которых изображено:
на фиг. 1 - принципиальная схема устройства
на фиг. 2 - графическое отображение интегральной характеристики свойств металлического объекта
на фиг. 3 - схема устройства селективного резонансно-вихретокового металлоискателя.
Селективный резонансно-вихретоковый металлоискатель включает измерительный аналоговый генератор преобразователь, включающий измерительную катушку индуктивности, блок TDC цифрового преобразователя длительности импульсов, вычислительный микроконтроллер, дисплей, клавиатуру, звуковую индикацию. Измерительная катушка индуктивности 1 включена в LC цепь обратной связи генератора, построенного на полупроводниковом логическом элементе ИЛИ-НЕ 5. Балластные конденсаторы 2 применяются прецизионные термостабильные. Катушка индуктивности 1 и конденсаторы 2 установлены в цепи обратной связи генератора. Их номиналы задают основную резонансную частоту колебательного контура в обратной связи генератора и устанавливают выходную частоту генератора.
Питание колебательного контура в цепи обратной связи измерительного генератора осуществляется через прецизионный токоограничительный резистор 3. На этом резисторе 3 дифференциальным операционным усилителем 4 измеряется сигнал падения напряжения. С выхода дифференциального усилителя 4 поступает частотный сигнал 1, отображающий изменение тока, питающего измерительную катушку в колебательном контуре.
Сигнал 2 снимается с выхода генератора, изменение его частоты характеризуется попаданием в область электромагнитного поля катушки металлического предмета, меняющего индуктивность измерительной катушки.
Магнитный металл увеличивает индуктивность катушки, тем самым меняется резонансная частота контура, и выходная частота генератора увеличиваются. Немагнитный металл уменьшает индуктивность катушки, тем самым меняется резонансная частота контура, и выходная частота генератора уменьшается. Величина отклонения частоты сигнала позволяет оценить размер металлического объекта находящегося в поле действия катушки, а уменьшение или увеличение частоты определяет является ли он ферромагнитным или неферромагнитным.
Цифровой преобразователь длительности импульсов измеряет частоту сигнала 2 и время запаздывания растущего фронта сигнала 1 от растущего фронта сигнала 2. Время запаздывания сигнала 1 от сигнала 2 преобразуется в период частотного сигнала 3. Длительность импульсов частотного сигнала 3 равна фазовому сдвигу сигнала 1 от сигнала 2. Таким методом измеряется реактивная мощность колебательного контура измерительного генератора. Реактивная мощность колебательного контура измерительного генератора представлена в виде частотного сигнала 3.
Реактивная мощность увеличивается за счет появления в поле действия катушки индуктивности металлических объектов, имеющих электрическую проводимость, низкое омическое сопротивление, и обладающих индуктивностью (эквивалент колебательного контура), способных воспринять электромагнитное излучение измерительной катушки, преобразовать его в вихревые токи, и при разряде возникших вихревых токов на внутреннее сопротивление обладающее индуктивностью излучить свое электромагнитное поле, которое при достижении измерительной катушки создаст в ней ЭДС и увеличит реактивную мощность.
Электромагнитные импульсы катушки индуктивности датчика облучают металлический объект, создавая в нем вихревые токи. Под действием внутренних вихревых токов объекта энергия реактивной мощности сначала накапливается, а затем высвобождается в виде магнитного поля, которое достигает измерительной катушки индуктивности и наводит в нем ЭДС сигнала, вызывающую рост реактивной мощности в колебательном контуре цепи обратной связи измерительного генератора.
Длительность импульсов частотного сигнала 3 изменяется в случае нахождения в поле действия катушки металлических объектов с низким электрическим сопротивлением или высокой проводимостью. По уровню изменения длительности импульсов частотного сигнала 3 определяется размер металлического объекта, находящегося в электромагнитном поле катушки.
Индекс типа металла вычисляется как частное значение длительности частотного сигнала 2 к значению длительности частотного сигнала 3 (Х=Тсигн.2/Тсигн.3).
Сигнал отображается на графике, где значению точки N по оси абсцисс соответствует N-е значение длительности частотного сигнала 2, а по оси ординат N-е значение длительности частотного сигнала 3. Следовательно первая точка имеет значение по оси абсцисс соответствующее первому значению в массиве длительностей импульсов частотного сигнала 2, а по оси ординат соответствующее первому значению в массиве длительностей импульсов частотного сигнала 3.
Сигнал графически отображает интегральную характеристику свойств металлического объекта, находящегося в электромагнитном поле измерительной катушки индуктивности.
При построении фигур Лиссажу (фиг.2) на основе частотных сигналов 2 и 3 возможно графическое точное определение типа металла объекта, находящегося в электромагнитном поле катушки индуктивности. В этом случае в интегрированной форме петель фигур Лиссажу на дисплее устройства отображаются индуктивные свойства и свойства электрической проводимости или электромагнитной восприимчивости обнаруженного металлического объекта.
Фигура Лиссажу объекта 1 (фиг.2) отображает сильные ферромагнитные свойства и слабые свойства электрической проводимости металлического объекта, находящегося в зоне действия измерительной катушки индуктивности. Уровень сигнала 2 для объекта 1 имеет отрицательное значение, что говорит об увеличении индуктивности измерительной катушки под действием объекта, находящегося в зоне ее действия, уровень сигнала 3 для объекта 1 имеет нулевое значение, что говорит об относительно малой электропроводности обнаруженного объекта, или об относительно высоком удельном сопротивлении обнаруженного материала. Данная фигура характерна для феррита.
Фигура Лиссажу объекта 2 отображает ферромагнитные свойства объекта, соответствующие свойствам внутренней проводимости, внутреннего удельного сопротивления. Изменение индуктивности измерительной катушки под действием металлического объекта близко по амплитуде к изменению уровня реактивной мощности измерительного колебательного контура под действием этого металлического объекта в зоне действия катушки. Данная фигура характерна для чистого железа.
Фигура Лиссажу объекта 3 отображает относительно низкое удельное сопротивление материала обнаруженного объекта и его относительно высокие парамагнитные свойства, практически не влияет на индуктивность измерительной катушки. Фигура характерна для никеля, олова.
Фигура Лиссажу объекта 4 отображает неферромагнитные свойства объекта, соответствующие свойствам внутренней проводимости, внутреннего удельного сопротивления. Изменение индуктивности измерительной катушки под действием металлического объекта в поле ее действия близко по амплитуде к изменению уровня реактивной мощности измерительного колебательного контура под действием этого металлического объекта в зоне действия катушки. Данная фигура характерна для золота, серебра.
Фигура Лиссажу объекта 5 отображает относительно сильные неферромагнитные свойства и менее выраженные свойства электрической проводимости (удельного сопротивления) металлического объекта, находящегося в зоне действия измерительной катушки индуктивности. Уровень сигнала 2 для этого объекта 1 имеет положительное значение, что говорит об уменьшении индуктивности измерительной катушки под действием объекта, находящегося в зоне ее действия, уровень сигнала 3 для объекта 1 имеет низкое значение, что говорит о выраженных индуктивных свойствах относительно свойств проводимости. Фигура характерна для чистой меди.
Индекс типа металла отображает угол направления петли Лиссажу и вычисляется как частное значения длительности частотного сигнала 2 к значению длительности частотного сигнала 3 (Х=Тсигн.2/Тсигн.3). Для графического определения индекса типа металла между крайней максимальной точкой петли и нулевой точкой определяется вектор направленности фигуры Лиссажу. Между вектором направленности и осью сигнала 2 определяется угол наклона фигуры Лиссажу. Знак угла наклона определяется из расположения фигуры в отрицательной или положительной зоне сигнала 2. Измеренное значение угла наклона является уникальной интегральной характеристикой типа обнаруженного металла или сплава.
По длине фигуры характеризуется площадь металлического объекта, направленная параллельно катушке. По форме фигуры анализируется неравномерность внутреннего состава объекта.
Измерительная катушка индуктивности находится в резонансной частоте колебательного контура, металлические объекты в зоне действия катушки меняют резонансную частоту, контур перестраивается, изменяется частота на выходе генератора.
Электромагнитные импульсы катушки индуктивности датчика облучают металлический предмет, создавая в нем вихревые токи, создающие свое магнитное поле предмета, которое достигает датчик и наводит в нем ЭДС сигнала, вызывающую увеличение реактивной мощности колебательного контура, цепи обратной связи измерительного генератора. Соотношение значений изменения реактивной мощности и значений изменения частоты генератора является характеристикой типа металла объекта и его внутренней структуры.
Заявляемый способ бесконтактного измерения соотношения проводимости и индуктивности металлических объектов для анализа состава, прочностных характеристик, объемных характеристик может быть реализован промышленным способом с использованием известных технических средств, технологий, материалов и комплектующих и отвечает требованиям критерия «промышленная применимость».
На фиг. 3 представлена схема устройства селективного резонансно-вихретокового металлоискателя, где 6 - измерительная катушка индуктивности, 7 - измерительный аналоговый генератор- преобразователь, 8 - TDC цифровой преобразователь длительности импульсов, 9 - вычислительный микроконтроллер, 10 - дисплей, 11 - клавиатура, 12 - звуковой динамик и световая индикация.
На основе данного способа может быть реализован селективный металлоискатель, предназначенный для поиска металлических объектов в грунте, в стенах и в других не проводящих средах. Селективность по типу металла увеличит точность обнаружения искомого объекта, и повысит безопасность строительных, археологических и саперских работ. При работе с металлоискателем измерительная катушка индуктивности перемещается оператором параллельно грунту на высоте 3-5 см, осуществляя сканирование пространства под землей.
Металлоискатель состоит из измерительной катушки индуктивности 6, измерительного аналогового генератора- преобразователя 7. Сигналы от измерительного генератора поступают в блок TDC цифрового преобразователя длительности импульсов 8. Математическую обработку, фильтрацию и сохранение получаемых сигналов осуществляет вычислительный микроконтроллер 9. Полученные данные о типе металла, внутренней структуре, площади обнаруженного металлического объекта отображаются на дисплее 10. Управление и задание параметров работы осуществляется с клавиатуры 11. Политональная звуковая индикация 12 осуществляет аудио информирование оператора о свойствах обнаруженного объекта.