Магнитоупругие резонаторные маркеры в формате ленты
MAGNETOELASTIC RESONATOR MARKERS IN THE FORM OF A BAND

Уровень техники
Магнитомеханические резонаторы (MMR), также называемые магнитоупругими (MEL) резонаторами, хорошо известны и используются в розничной торговле десятилетиями для обеспечения безопасности. Кроме того, магнитоупругие резонаторы также подходят для использования применительно к закапываемой инфраструктуре вследствие их низкой стоимости, низкого профиля и гибких компонентов. Они могут быть выполнены в виде отдельных маркеров или физически прикрепляться к подземному трубопроводу или подземной коммуникации. Они могут использоваться для точной идентификации закопанного объекта и его местоположения. Например, см. документы US 2012/068823; US 2012/0325359 и US 2013/0099790, каждый из которых во всей полноте включен в настоящий документ посредством ссылки.
Тем не менее, диапазон детектирования и стабильность частоты таких традиционных магнитоупругих резонаторов могут быть ограничены.
Сущность изобретения
В первом аспекте настоящего изобретения магнитоупругое резонаторное устройство в формате ленты содержит непрерывную полосу из аморфного магнитного материала, содержащего множество отдельных шарнирно соединенных магнитоупругих резонаторных полосок, выполненных из полосы, смещенных линейно вдоль продольной оси полосы, причем каждая магнитоупругая резонаторная полоска выполнена с возможностью взаимодействия с внешним магнитным полем на конкретной частоте и преобразования магнитной энергии в механическую энергию в форме колебаний.
В другом аспекте магнитоупругое (MEL) резонаторное устройство в формате ленты содержит ленту или полосу, выполненную из аморфного магнитного материала, имеющего продольную ось. Первый участок ленты содержит первую прорезь, выполненную с возможностью вмещения первого магнита смещения. Второй участок ленты, расположенный вблизи первого участка вдоль продольной оси, содержит первую магнитоупругую резонаторную полоску, содержащую первый и второй свободные концы и центральную часть, причем центральная часть соединена с лентой посредством шарнира. Третий участок ленты, расположенный вблизи второго участка вдоль продольной оси, содержит вторую прорезь, выполненную с возможностью вмещения второго магнита смещения.
В другом аспекте магнитоупругое резонаторное устройство в формате ленты дополнительно содержит четвертый участок ленты, расположенный вблизи третьего участка вдоль продольной оси, содержащий вторую магнитоупругую резонаторную полоску, содержащую первый и второй свободные концы и центральную часть, причем центральная часть соединена с лентой посредством шарнира, и пятый участок ленты, расположенный вблизи четвертого участка вдоль продольной оси, содержащий третью прорезь, выполненную с возможностью вмещения третьего магнита смещения.
В другом аспекте первая магнитоупругая резонаторная полоска может иметь в сущности прямоугольную форму или в сущности эллиптическую форму.
В другом аспекте любое из предыдущих магнитоупругих резонаторных устройств в формате ленты может быть прикреплено к объекту, закопанному под землей.
В другом аспекте любое из предыдущих магнитоупругих резонаторных устройств в формате ленты может дополнительно содержать перфорационные отверстия, выполненные вдоль продольных кромок ленты.
В другом аспекте шарнир выполнен в виде одной или более узких полосок, выполненных протяженными от центральной части резонаторной полоски к наружным кромкам ленты или полосы.
В другом аспекте геометрия шарнира выполнена с возможностью уменьшения действия нагрузки, обусловленной поперечным сжатием.
В другом аспекте магнитоупругое резонаторное устройство в формате ленты имеет диапазон частот от приблизительно 34 кГц до приблизительно 80 кГц.
В другом аспекте магнитоупругое резонаторное устройство в формате ленты может быть детектировано на глубине вплоть до приблизительно 48 дюймов под землей.
В другом аспекте система содержит любое из предыдущих магнитоупругих резонаторных устройств в формате ленты и портативное устройство обнаружения.
В другом аспекте магнитоупругое резонаторное устройство в формате ленты содержит два или более слоев, которые уложены таким образом, чтобы фиксировать отдельные резонаторы с образованием этажерочной резонаторной структуры в каждом местоположении вдоль массива. В другом аспекте структурированный полимерный слой вставлен между каждым слоем резонаторных полосок для обеспечения пространственного разнесения резонаторов в узловом местоположении каждого резонатора.
Вышеизложенное описание сущности настоящего изобретения не является описанием каждого изображенного воплощения или каждого варианта реализации настоящего изобретения. Эти воплощения более точно представлены на фигурах и в последующем подробном описании.
Краткое описание чертежей
Далее настоящее изобретение будет описано, отчасти, посредством ссылок на его неограничивающие примеры, а также со ссылками на чертежи, на которых:
Фиг. 1 - вид сверху магнитоупругого резонаторного устройства в формате ленты согласно первому аспекту настоящего изобретения;
Фиг. 2A-2F - виды сверху в увеличенном масштабе различных магнитоупругих резонаторных полосок, выполненных из ленты или полосы согласно альтернативным аспектам настоящего изобретения;
Фиг. 3 - схематический вид системы лазерной обработки для изготовления магнитоупругого резонаторного устройства в формате ленты согласно другому аспекту настоящего изобретения;
Фиг. 4 - вид сверху части магнитоупругого резонаторного устройства в формате ленты согласно другому аспекту настоящего изобретения;
Фиг. 5А и 5В - разные схематические виды в поперечном сечении магнитоупругого резонаторного устройства согласно другому аспекту настоящего изобретения;
Фиг. 6 - схематический вид в поперечном сечении магнитоупругого резонаторного устройства, прикрепленного к трубопроводу согласно другому аспекту настоящего изобретения.
Хотя в настоящее изобретение могут быть внесены различные изменения и оно допускает альтернативные формы реализации, конкретные его воплощения показаны в качестве примера на чертежах и описаны подробно далее. Однако, следует понимать, что это не следует рассматривать как ограничение настоящего изобретения конкретными описанными воплощениями. Наоборот, настоящее изобретение охватывает все изменения, эквиваленты и альтернативы, находящиеся в пределах объема настоящего изобретения, определенного прилагаемой формулой изобретения.
Подробное описание воплощений
В последующем описании имеется ссылка на прилагаемые чертежи, которые образуют его часть, и на которых показаны в качестве примера конкретные воплощения, в которых настоящее изобретение может быть реализовано на практике. В этом отношении термины, относящиеся к направлению, такие как «верхний», «нижний», «передний», «задний», «ведущий», «впереди», «замыкающий» и т.д., используются со ссылкой на ориентацию описываемой фигуры (фигур). Поскольку компоненты воплощений настоящего изобретения могут быть расположены в множестве различных ориентаций, термины, относящиеся к направлению, используются в целях пояснения, но не ограничения. Следует понимать, что могут применяться и другие воплощения, при этом могут быть сделаны конструкционные или логические изменения без отклонения от объема настоящего изобретения. Таким образом, нижеследующее подробное описание не следует рассматривать в ограничительном смысле; объем настоящего изобретения определяется приложенной формулой изобретения.
Магнитоупругое (MEL) резонаторное устройство в формате ленты содержит непрерывную полосу из аморфного магнитного материала, содержащего множество отдельных шарнирно соединенных магнитоупругих резонаторных полосок, выполненных из полосы, смещенных линейно вдоль продольной оси полосы, причем каждая магнитоупругая резонаторная полоска выполнена с возможностью взаимодействия с внешним магнитным полем на конкретной частоте и преобразования магнитной энергии в механическую энергию в форме колебаний. Отдельные резонаторы прикреплены к кромкам узловой точки таким образом, чтобы свести к минимуму нагрузку на резонатор от поперечного движения («поперечное сжатие») при возбуждении продольного резонанса. Лента сама по себе действует как в качестве носителя, позволяющего осуществить изготовление по принципу перемотки с катушки на катушку, так и в качестве «магнитного якоря». Изделие может быть изготовлено в результате операции лазерной обработки со структурированием непрерывной полоски резонаторов и «шарниров» в процессе. Такой формат позволяет осуществлять изготовление по принципу перемотки с катушки на катушку, укладывать ленты в этажерочные и линейные массивы и осуществлять отжиг в камерной печи без продольного напряжения на резонаторах во время термического отжига. Такое устройство может быть использовано в качестве магнитоупругого резонаторного маркера, подходящего для маркирования и обнаружения закапываемой инфраструктуры вследствие его низкой стоимости, низкого профиля и гибких компонентов. Магнитоупругие маркеры, описанные в настоящем документе, могут обеспечивать подстройку частоты, высокую стабильность частоты, высокое накопление энергии, а также низкий профиль в комбинации с увеличенным диапазоном детектирования. Магнитоупругий маркер может представлять собой отдельный маркер, он может физически крепиться к подземному объекту, такому как трубопровод или другие коммуникации, или он может крепиться к другому устройству или носителю, такому как предупредительная или сигнальная лента, расположенному на подземном объекте или вблизи него.
На фиг. 1 показан первый аспект настоящего изобретения - магнитоупругое (MEL) резонаторное устройство 100 в формате ленты или полосы. Резонаторное устройство 100 содержит массив магнитоупругих резонаторных полосок 120а, 120b, 120с и т.д., выполненных из основы, содержащей непрерывную ленту или полосу из аморфного магнитного материала 110. Операция обработки или механической обработки (как описано ниже) может использоваться для создания массива магнитоупругих резонаторных элементов из полосы или ленты 110, протяженной вдоль ее продольной оси.
Каждый из резонаторных элементов содержит резонаторную полоску 120, такую как резонаторная полоска 120а, и пару магнитных элементов смещения, расположенных на каждом конце резонаторной полоски. В частности, первый участок 101 ленты 110 содержит первую прорезь 141а, выполненную с возможностью вмещения первого магнита смещения (не показан). Второй участок 102 ленты 110 расположен вблизи первого участка 101 вдоль продольной оси и содержит первую магнитоупругую резонаторную полоску 120а, содержащую первый и второй свободные концы 122а, 122b и центральную часть 124а, соединенную с лентой 110 посредством шарнира, в данном случае - первого и второго шарниров 125а. Резонаторная полоска выполнена путем удаления частей 121а и 121b из полосы или ленты с образованием полостей определенной формы в полосе или ленте 110. Такое удаление может быть осуществлено посредством процесса механической обработки (лазерной или электроэрозионной (EDM)), процесса штамповки или посредством процесса химического структурирования и травления. Форма удаленных частей 121а и 121b также может подобрана так, чтобы образовывать конкретную форму шарнира. Третий участок 103 ленты 110 расположен вблизи второго участка 102 вдоль продольной оси и содержит вторую прорезь 141b, выполненную с возможностью вмещения второго магнита смещения (не показан). Таким образом, резонаторная полоска 120а расположена между прорезями 141а и 141b для магнитов смещения. Как описано в настоящем документе, когда магниты смещения вставлены в прорези, резонаторная полоска 120а способна взаимодействовать с внешним магнитным полем на конкретной частоте и преобразовывать магнитную энергию в механическую энергию в форме колебаний.
Четвертый участок 104 ленты 110, расположенный вблизи третьего участка 103 вдоль продольной оси, содержит вторую магнитоупругую резонаторную полоску 120b, содержащую первый и второй свободные концы 122 с, 122d и центральную часть 124b, причем центральная часть соединена с лентой 110 посредством шарнира (шарниров) 125b. Пятый участок 105 ленты 110, расположенный вблизи четвертого участка 104 вдоль продольной оси, содержит третью прорезь 141с, выполненную с возможностью вмещения третьего магнита смещения (не показан). В такой конструкции резонаторные полоски 125а и 125b имеют общий магнит смещения, расположенный в прорези 141b. Как будет понятно, несколько дополнительных участков и резонаторных элементов могут быть выполнены вдоль длины полосы 110. Следует отметить, что хотя лента или полоса 110 описана как непрерывная, это не означает, что лента имеет бесконечную длину, а, скорее, что длина ленты может быть в сущности такой, которая позволяет выполнять ее обработку в ходе части операции изготовления по принципу перемотки с катушки на катушку. Более того, настоящее описание не предназначено для исключения воплощений, в которых отдельные магнитоупругие резонаторы могут быть получены разделением ленты или полосы 110.
В частности, полоса или лента 110 может содержать магнитоупругий материал с магнитострикционными свойствами, такой как аморфный магнитный сплав, или кристаллический материал, такой как Metglas 2826 MB, 2605SA1 или 2605S3A, изготавливаемый компанией Metglas, Inc., Conway, S.C. Другие подходящие материалы доступны от компании Vacuumschmelze GmbH, Ханау, Германия. Физические размеры, такие как длина и ширина резонаторной полоски (полосок) 120а, 120b, 120с и т.д. могут быть выбраны в зависимости от требуемой частоты отклика. Полосы могут быть отожженными или неотожжеными. В некоторых аспектах каждая из магнитоупругих резонаторных полосок 120а, 120b, 120с и т.д. может иметь в сущности прямоугольную или в сущности эллиптическую форму с длиной большой оси от приблизительно 25 мм до 40 мм. В другом аспекте каждый из магнитоупругих элементов содержит металлическую полоску с длиной большой оси от приблизительно 40 мм до 65 мм. Под выражением «в сущности» прямоугольная или «в сущности» эллиптическая подразумевается, что форма резонаторной полоски не должна быть идеально прямоугольной (например, полоска может иметь закругленные углы) или эллиптической.
Каждый из магнитных элементов смещения (магнитов смещения) может содержать постоянный магнит или магнитно-жесткую или магнитно-полужесткую металлическую полоску. Магнитные оси магнитов смещения установлены в одном общем направлении вдоль длинной оси полоски. В настоящем изобретении может использоваться магнитно-жесткий материал для обеспечения магнитного смещения, который не поддается оперативной замене, поскольку его характеристики смещения не имеют тенденции к изменению в случае закапывания под землей. Магнитный элемент смещения может быть изготовлен из любого магнитного материала, обладающего достаточной остаточной намагниченностью при намагничивании, для обеспечения должного смещения резонаторов, а также достаточной магнитной коэрцитивностью для обеспечения отсутствия изменения магнитных свойств в нормальных рабочих условиях. Может быть использован коммерчески доступный магнитный материал, такой как Arnokrome™ III от The Arnold Engineering Company, Marengo, Ill., хотя другие материалы могут быть использованы с тем же успехом. Например, в одном конкретном аспекте размеры магнитов смещения (неодимовые магниты, доступные от K&J Magnetics Inc.) могут быть следующими: 1/16" (толщина), 1/8" (высота) и  (ширина), при этом намагниченность реализована по толщине. Разумеется, размеры магнита смещения могут варьироваться в зависимости от размера и ширины элемента резонатора. По аналогии с линейными или прямыми магнитами, каждый из магнитных элементов смещения может иметь магнитные полюсы, по одному с каждой стороны.
Магнитоупругие резонаторные полоски 120 могут иметь различные формы, в том числе в сущности прямоугольную или в сущности эллиптическую форму. Например, на фиг. 2A-2F показано несколько альтернативных конструкций. На фиг. 2А магнитоупругая резонаторная полоска 120а выполнена путем удаления частей 121а и 121b из полосы или ленты 110. В этом примере форма удаленных частей 121а, 121b образует резонаторную полоску 120а в сущности прямоугольной формы. Шарниры 125а выполнены в виде относительно узких полосок, выполненных протяженными от центральной части 124а к наружным кромкам ленты или полосы 110.
В другой альтернативной конструкции, показанной на фиг. 2В, магнитоупругая резонаторная полоска 120b выполнена путем удаления частей 121а и 121b из полосы или ленты 110. В этом примере форма удаленных частей 121а, 121b образует резонаторную полоску 120b в сущности прямоугольной формы, но с закругленными кромками на концах 122а, 122b полоски. Шарниры 125b выполнены в виде нескольких узких полосок, выполненных протяженными от центральной части 124а к наружным кромкам ленты или полосы 110.
В другой альтернативной конструкции, показанной на фиг. 2С, магнитоупругая резонаторная полоска 120 с выполнена путем удаления частей 121а и 121b из полосы или ленты 110. В этом примере форма удаленных частей 121а, 121b образует резонаторную полоску 120с в сущности прямоугольной формы, но с закругленными кромками на концах 122а, 122b полоски. Шарниры 125с выполнены в виде нескольких узких полосок, выполненных протяженными от центральной части 124а к наружным кромкам ленты или полосы 110 путем удаления круглых частей полосы 110 в области шарнира.
В другой альтернативной конструкции, показанной на фиг. 2D, магнитоупругая резонаторная полоска 120d выполнена путем удаления частей 121а и 121b из полосы или ленты 110. В этом примере форма удаленных частей 121а, 121b образует резонаторную полоску 120b в сущности прямоугольной формы, но с закругленными кромками на концах 122а, 122b полоски. Шарниры 125d выполнены в виде узкой полоски, выполненной протяженной от центральной части 124а к наружным кромкам ленты или полосы 110.
В другой альтернативной конструкции, показанной на фиг. 2Е, магнитоупругая резонаторная полоска 120е выполнена путем удаления частей 121а и 121b из полосы или ленты 110. В этом примере форма удаленных частей 121а, 121b образует резонаторную полоску 120с в сущности эллиптической формы с изогнутыми кромками на концах 122а, 122b полоски. Как было определено исследователями, коэффициент усиления сигнала может быть улучшен за счет использования резонаторного устройства эллиптической формы. Шарниры 125е выполнены в виде нескольких узких полосок, выполненных протяженными от центральной части 124а к наружным кромкам ленты или полосы 110.
В еще одной альтернативной конструкции, показанной на фиг. 2F, магнитоупругая резонаторная полоска 120f выполнена путем удаления частей 121а и 121b из полосы или ленты 110. В этом примере форма удаленных частей 121а, 121b образует резонаторную полоску 120f в сущности прямоугольной формы, но с закругленными кромками на концах 122а, 122b полоски. Шарниры 125f выполнены в виде нескольких изогнутых узких полосок, выполненных протяженными от центральной части 124а к наружным кромкам ленты или полосы 110 путем удаления частей эллиптической формы полосы в области шарнира.
Вышеприведенные примеры не предназначены для ограничения формы резонаторной полоски или конфигурации шарнира. Как будет понятно специалисту в данной области техники с учетом настоящего описания, форма полоски или форма шарнира могут быть изменены таким образом, что подходящий резонатор может иметь, например, форму резонаторной полоски, показанную на фиг. 2Е, и конфигурацию шарнира, показанную на фиг. 2F.
При эксплуатации, как упомянуто выше, магнитоупругое резонаторное устройство может использоваться как часть надежной системы с магнитоупругими маркерами, выполненной с возможностью применения в подземных условиях, причем маркерное устройство резонирует на своей характеристической частоте при опросе (посредством, например, портативного локатора) с применением переменного магнитного поля, подстроенного под эту частоту. Во время этого периода опроса энергия накапливается в маркере как в виде магнитной, так и в виде механической энергии (проявляется в виде вибраций резонатора). После отключения поля опроса резонатор продолжает вибрировать и высвобождает значительную переменную магнитомеханическую энергию на своей резонансной частоте, которая может удаленно детектироваться с помощью подходящего детектора, который может быть включен в тот же портативный локатор. Таким образом, маркерное устройство может быть обнаружено посредством его возбуждения внешним переменным магнитным полем, если энергия хранится в маркере, и последующего детектирования магнитного поля, генерируемого маркерным устройство, поскольку оно рассеивает свою сохраненную энергию экспоненциально на своей собственной резонансной частоте. Такой ответный сигнал предупреждает поискового технического работника о присутствии маркерного устройства.
На фиг. 1 показано одно устройство 100 в виде массива в формате ленты. В целом, датчики на основе магнитоупругого резонатора могут положительно использовать коэффициент усиления в связи с форматами массивов для увеличения диапазона детектирования или возможности выдерживать более высокие нагрузки на датчики. Хотя на фиг. 1 показан только один массив в формате ленты, в другом аспекте настоящего изобретения резонаторное устройство может быть выполнено за счет комбинирования ряда массивов резонаторов в формате ленты (TAFR), которые зафиксированы и уложены в этажерочную структуру. Как описано ниже, устройства могут быть изготовлены с применением процесса поточного изготовления. Альтернативно, как будет понятно специалисту в данной области техники с учетом настоящего описания, подобный подход может использоваться для создания «кластеров» меток или отдельных массивов в виде этажерочных структур путем получения за счет разделения выполненных в виде этажерочных структур полосок в ходе второй операции.
В другом аспекте формат массива лент сам по себе может обеспечивать гибкий массив с низким профилем для использования на закапываемой инфраструктуре, такой как трубопровод, причем гибкий формат массива лент позволяет использовать его на смотанных в бухту трубах меньшего диаметра (например, меньше 4"), а также трубах любого диаметра в формате продолговатого элемента. Гибкий формат массива резонаторов позволяет наматывать пластиковую трубу на большие катушки.
В другом аспекте магнитоупругое резонаторное устройство в формате ленты может дополнительно содержать корпус или крышку, выполненные с возможностью охвата устройства. Корпус 210 может быть выполнен из пластмассы или любого другого непроводящего материала, такого как ПВХ или другие полимеры. В одном аспекте корпус может быть выполнен с использованием стандартного процесса вакуумного формования. В предпочтительном аспекте материал корпуса может сохранять свою форму и пространственное разнесение вокруг полоски резонатора и материала смещения. Кроме того, корпус и материал компонента могут быть выполнены в виде нежесткой гибкой конструкции (например, в виде гофрированной конструкции) или за счет состава материала, или за счет толщины стенок корпуса. Также корпус может иметь низкий профиль. Например, гофрированный корпус может обеспечивать более высокую прочность, чем плоский корпус, и может гнуться, что делает продукт подходящим для непосредственного закапывания, а также использования применительно к пластиковым трубам.
В альтернативном аспекте настоящего изобретения магнитоупругие резонаторные устройства, описанные в настоящем документе, могут быть расположены внутри защитной капсулы или внешнего корпуса, выполненных с возможностью выдерживания жестких условий. Защитная капсула может быть выполнена из надежного материала, такого как полиэтилен высокой плотности (HDPE).
Снова обратившись к альтернативным аспектам резонаторной полоски и шарнира, показанным на фиг. 2A-2F, исследователями было определено, что, конструкция, показанная на фиг. 2А совершает колебания подходящим образом, но демонстрирует номинальное уменьшение коэффициента усиления величиной 0,7 дБ в связи с «поперечным сжатием». То есть, когда резонатор совершает колебания в продольном направлении, он осуществляет противоположное движение в поперечном направлении в связи с сохранением объема материала (например, если образец удлиняется в продольном направлении, он сокращается в поперечном направлении, и наоборот). Хотя формат массива обеспечивает существенное увеличение коэффициента усиления, ослабляя влияние поперечного сжатия, геометрия «шарнира» может быть оптимизирована для уменьшения влияния нагрузки, вызванной поперечным сжатием, и, таким образом, достижения максимального коэффициента усиления. Потеря 0,7 дБ предполагает, что «направляющая» формата ленты не прикреплена жестко в местоположении самого шарнира (описано ниже).
Как показано на фиг. 2D, резонаторная полоска 120d имеет конструкцию, подобную резонаторной полоске 120а, но с закругленными углами резонатора и полости. В целом, за счет наличия закругленных углов можно получить более согласованные результаты от резонатора к резонатору, при в сущности эллиптической форме (см., например, фиг.2Е).
На фиг. 2В конструкция шарнира, показанная на фиг. 2А, изменена для уменьшения количества материла, то есть нагрузки в виде поперечного сжатия резонатора. Меньшее количество материала может обеспечивать «ослабленную пружину». Конструкция шарнира, такого, как показан на фиг. 2В и фиг.2С, 2Е и 2F, может предполагать использование лазерной обработки, а также процесса, разработанного для минимального нагрева основы (ленты или полосы 110). «Шарнир», который будет нагружать резонатор в меньшей степени, представляет собой меньшую, более гибкую конструкцию. Эту небольшую конструкцию не следует нагревать до точки кристаллизации металла. Кристаллизованный шарнир может получить механическое повреждение в процессе изготовления или при внедрении/применении изделия.
Кроме того, конструкция шарнира, показанная на фиг. 2F, может обеспечить меньшую нагрузку, чем другие конструкции шарнира, показанные на фиг. 2А-2Е, хотя возможны и другие геометрические формы, как будет понятно специалисту в данной области техники с учетом настоящего описания. Следует отметить, что конструкция шарнира, показанная на фиг. 2F, имеет несколько областей «концентрации напряжений» с острыми внутренними углами.
Также следует отметить, что в конструкции магнитоупругой резонаторной полоски, показанной на фиг. 2А, когда латеральные области кромок полосы или ленты 110 на участке шарнира жестко прикреплены к эталонной пластине, колебания резонатора могут быть значительно снижены. На практике это означает, что «направляющие» полосы немного сгибаются и действуют в качестве самого шарнира. Таким образом, могут использоваться другие конструкции шарнира, которые обеспечивают большую изоляцию шарнира и направляющих. Кроме того, в целях упаковки маркеров, в зависимости от эффективности шарнира, «направляющие» могут не быть прикреплены жестко к собранной упаковке вблизи от узловой точки, обеспечивая наличие некоторой гибкости самих направляющих.
Как упомянуто выше, полоса или лента 110 содержит аморфный магнитный материал. На практике этот материал может быть отожженным или неотожженым. Как определили исследователи, конечный результат может зависеть от порядка выполнения процессов лазерной обработки и отжига в магнитном поле. То есть лазерная обработка с последующим отжигом может не дать те же результаты, что отжиг с последующей лазерной обработкой. При отжиге в магнитном поле материал чаще становится жестче и, в некоторой степени, хрупким. Соответственно, в одном аспекте резонаторное устройство в виде массива в формате ленты может быть изготовлено путем выполнения лазерной обработки перед отжигом. Таким образом, в одном аспекте вместо выполнения полного процесса отжига может быть выполнен этап процесса для «снятия напряжения» структуры (например, при температуре приблизительно 250°С) для повышения Q и коэффициента усиления. Альтернативно, другим вариантом для повышения коэффициента усиления и согласованности является выполнение процесса отжига материала при температуре 250°С с последующим применением теплоотвода в области шарнира во время отжига в магнитном поле полосы до температуры порядка 300°С. Такой технологический этап может быть выполнен в ходе процесса отжига при перемотке с катушки на катушку, причем теплоотвод содержит, например, (охлажденную) пластину и ролик.
Конструкция в формате ленты устройства 100 может позволить выполнение процессов изготовления по принципу перемотки с катушки на катушку с возможностью снижения производственных затрат. Один из этих процессов включает процесс лазерной обработки, в котором неструктурированную ленту 110 разматывают с катушечной системы и обрабатывают лазером, а затем сматывают на приемную катушку. Такой процесс показан на фиг. 3, где ленту или полосу 110 размещают на первой катушке 170, затем подвергают воздействию лазера 180, который направлен на ленту 110, и отслеживают посредством оптического сканера 190. Обработанная полоса или лента 110 поступает на приемную катушку 175. Как будет очевидно специалисту в данной области техники с учетом настоящего описания, система обработки, показанная на фиг. 3, может содержать дополнительные компоненты для обеспечения повышенной точности и воспроизводимости.
Например, в дополнение к образованию конструкции резонатора, в процессе лазерной обработки могут быть необязательно выполнены «перфорационные отверстия» для транспортировки ленты на оставшиеся этапы процесса. Как показано на фиг. 4, магнитоупругое резонаторное устройство 200 в формате ленты может быть выполнено из ленты или полосы 210 (содержащей, например, аморфный магнитный материал, такой, как описано выше). В частности, первый участок ленты 210 содержит первую прорезь 241а, выполненную с возможностью вмещения первого магнита смещения (не показан). Второй участок ленты 210 расположен вблизи первого участка вдоль продольной оси и содержит первую магнитоупругую резонаторную полоску 220, содержащую первый и второй свободные концы 222а 222b и центральную часть 224а, соединенную с лентой 210 посредством шарнира 225а. Резонаторная полоска выполнена путем удаления частей 221а и 221b, например, посредством процесса лазерной обработки, с образованием полостей определенной формы в полосе или ленте 210. Форма удаленных частей 221а и 221b также может подобрана так, чтобы образовывать конкретную форму шарнира. Третий участок ленты 210 расположен вблизи второго участка вдоль продольной оси и содержит вторую прорезь 241b, выполненную с возможностью вмещения второго магнита смещения (не показан). Таким образом, резонаторная полоска 220 расположена между прорезями 241а и 241b для магнитов смещения. Дополнительные магнитоупругие резонаторные полоски могут быть выполнены в ленте 210 аналогично способу, описанному выше. Кроме того, первый и второй наборы перфорационных отверстий 230а, 230b могут быть выполнены в продольном направлении вдоль латеральных кромок (или «направляющих») ленты 210. Эти отверстия 230а, 230b могут обеспечивать возможность беспрепятственного перемещения ленты 210 по технологическому оборудованию. Перфорационные отверстия обеспечивают простую регистрацию ленты, при меньшем использовании систем визуального контроля и следящих систем для транспортировки ленты.
Наличие перфорационных отверстий также может быть целесообразным при упаковке массива резонаторов в формате ленты, при которой аморфную магнитную полосу 210 запаивают между двумя термопластичными полимерными слоями. В этом аспекте настоящего изобретения шарнир 225а должен быть достаточно гибким для обеспечения достижения резонатором подходящего коэффициента усиления. Например, на фиг. 5А и 5В показан вид в поперечном сечении упакованного магнитоупругого (MEL) резонаторного устройства 300, причем на фиг. 5А показан вид в поперечном сечении по длинной оси, а на фиг. 5В показан вид в поперечном сечении по короткой (латеральной) оси. Верхняя (361) и нижняя (362) крышки могут обеспечивать «полость» 228 в области резонаторной полоски 320. В этом аспекте магнит (магниты) смещения могут быть встроены в крышки 361, 362 или они могут находиться в полости 328. Область шарнира вероятнее всего будет содержать разгрузочную область полости для обеспечения того, чтобы сама крышка не нагружала полосу. Крышка может быть получена путем литья и отверждения или термоформования с внутренней полостью, или, необязательно, путем экструзии с профилем полости. В разных аспектах магнитоупругое резонаторное устройство 500 может содержать одну ленту (с одним или несколькими резонаторами) или устройство 500 может содержат набор выполненных в виде этажерочных структур лент (с одним или несколькими резонаторами).
Если отжиг должен быть выполнен после лазерной обработки, то в одном аспекте процесс изготовления устройства может включать поточный процесс, в котором область шарнира каждого магнитоупругого резонатора может поддерживаться при температуре 250°С или ниже за счет тепловой нагрузки (например, теплоотвода) на направляющей основы. Теплоотвод, применяемый вблизи кромки полосы, может способствовать обеспечению максимальной гибкости шарнира.
Могут применяться традиционные поточные процессы отжига для аморфной полосы, такие как процесс отжига в поперечном поле.
Альтернативно, если устройства лазерной обработки должны быть подвергнуты отжигу в камерной печи, процесс может включать сматывание полосы на катушку большого диаметра, вследствие чего участки резонатора подвергаются сгибанию меньшей величины. Однако формат ленты, описанный в настоящем документе, предполагает, что свободно разрезанные резонаторы механически отсоединяют от основной полосы и их могут отжигать без прикладываемого растягивающего напряжения от сматывания на катушку.
В другом аспекте несколько слоев резонаторного устройства в виде массива в формате ленты могут быть сближены в ходе поточного процесса, зафиксированы и «уложены в этажерочную структуру» с образованием многослойных резонаторных массивов, которые могут обеспечивать более высокий коэффициент усиления. Такая этажерочная структура резонаторов может включать этажерочную структуру из 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 или более слоев резонаторных полосок в зависимости от условий. При использовании конструкции с перфорационными отверстиями, такой, как показанная на фиг. 4, процесс фиксации может быть осуществлен простым способом, поскольку пространственное расположение перфорационных отверстий относительно резонатора задается при проектировании и используется при программном управлении лазерной сканирующей системой (см. например, лазерную оптическую сканирующую систему 180, 190 на фиг. 3).
В еще одном аспекте резонаторное устройство в виде этажерочной структуры может дополнительно содержать дополнительный слой тонкой полимерной пленки (например, толщиной 2 мила) для обеспечения пространственного разнесения между резонаторами в виде этажерочной структуры. Промежуточный слой полимерной пленки может содержать пленку, разрезанную на узкие ленточки и подвергнутую вырубной штамповке, например, с применением традиционных процессов переработки полимеров. При использовании этот промежуточный слой может содержать ослабленную область в шарнире и твердую область в центральной узловой точке резонатора.
Кроме того, резонаторное устройство в виде многослойного этажерочного массива может быть выполнено с использованием модифицированного способа фиксации и наслоения, в котором каждый слой в формате ленты подают с собственной разматывающей катушки и выравнивают с применением традиционной цепной передачи или другой выравнивающей системы. Наслоенные слои могут быть собраны на приемной катушке. Количество разматывающих катушек может быть отрегулировано с помощью процедуры технологической наладки в соответствии с изготавливаемым изделием. Если используются полимерные покровные слои или промежуточная полимерная пленка, поточный процесс может быть изменен соответствующим образом.
Вставка магнита (магнитов) смещения может быть осуществлена с использованием традиционного процесса захвата, транспортировки и установки для роботизированного размещения магнитов на пленки в виде этажерочной структуры перед нанесением покровного слоя или другого упаковочного слоя. Альтернативно может использоваться промежуточная катушка материала как с промежуточной пленкой, так и магнитами смещения, предварительно изготовленными перед конечной сборкой. В дополнительном альтернативном воплощении может использоваться нанесение и обеспечение отверждения материала магнитов смещения, или магниты смещения могут быть выполнены как единое целое с крышкой.
В дополнительном альтернативном варианте запечатанный массив может быть разделен на «продолговатые элементы» или «кластеры» резонаторов в зависимости от рассматриваемой области применения. В таком случае, структурированный аморфный магнитный материал может быть подвергнут лазерной обработке таким образом, чтобы обеспечить надлежащее «пространство» в месте, где узел может быть запаян или герметизирован, поскольку операция лазерной обработки может осуществляться под программным управлением, позволяя уложить переменное количество резонаторов в «продолговатый элемент» или «кластер».
На фиг. 6 показан один пример магнитоупругого резонатора в формате ленты при использовании, когда маркер 400, подобный устройству 300, показанному на фиг. 5В, прикреплен к наружной поверхности трубопровода 415, такого как трубопровод для транспортировки воды или природного газа. Прикрепление маркера 400 к трубопроводу 415 может быть осуществлено посредством традиционной методики приклеивания или сварки.
Магнитоупругие резонаторные устройства, описанные в настоящем документе, могут быть расположены на подземном объекте, таком как трубопровод, труба или другое устройство, или вблизи него. Например, магнитоупругое резонаторное устройство, такое как устройство 100, 200, 300, может представлять собой отдельный маркер, оно может физически крепиться к подземному объекту, такому как трубопровод или другие коммуникации, или оно может крепиться к другому устройству, такому как предупредительная или сигнальная лента, расположенному на подземном объекте или вблизи него. Кроме того, магнитоупругие маркерные устройства, описанные в настоящем документе, могут быть использованы в окружающих условиях, отличающихся от подземных, например, они могут быть использованы при обнаружении и идентификации надземных объектов, иным образом спрятанных от обзора (например, в контейнере или внутри строительной стены, потолка или пола).
Кроме того, магнитоупругие маркерные устройства могут быть специально выполнены с возможностью работы на различных частотах, ассоциированных с уникальными типами объектов, такими как различные инженерные объекты (например, объекты, связанные с водой, сточными водами, электричеством, телефоном/кабельным телевидением/передачей данных и газом). Например, в одном аспекте магнитоупругое маркерное устройство может характеризоваться частотным диапазоном от приблизительно 34 кГц до приблизительно 80 кГц. Следует отметить, что в некоторых применениях, например, в случае обнаружения пластмассовых труб, сдвиги частоты не являются предпочтительными, поскольку множество магнитоупругих маркеров могут быть скомбинированы для получения дополнительной глубины детектирования. Соответственно, магнитоупругие маркерные устройства, описанные в настоящем документе, могут быть собраны в кластеры (для дополнительной глубины), не демонстрируя существенных сдвигов частоты. Кроме того, особенно в применениях, связанных с обнаружением труб, магнитоупругие маркерные устройства могут быть использованы для обеспечения не только местоположения объекта, а также направленности объекта.
В альтернативных аспектах магнитоупругие маркерные устройства могут использоваться в качестве детали системы индикации стерилизации, обеспечивающей время, температуру и/или химическую информацию. В дополнительном альтернативном аспекте магнитоупругое маркерное устройство может быть использовано в качестве детали системы индикации скоропортящихся продуктов (например, испорченных продуктов), обеспечивающей информацию о времени и температуре. В дополнительном альтернативном аспекте магнитоупругое маркерное устройство может быть использовано в качестве детали системы обнаружения утечки, обеспечивающей информацию об утечке для надземных или подземных коммуникаций. Например, в этом конкретном аспекте магнитоупругое маркерное устройство может дополнительно содержать встроенную антенну для беспроводной передачи информации от датчиков. Альтернативно, магнитоупругое маркерное устройство может быть выполнено таким образом, чтобы оно было подвержено влиянию изменяющихся условий, поскольку ответный сигнал может варьироваться с течением времени или в зависимости от условий, тем самым предоставляя пользователю определенную информацию.
Портативное устройство обнаружения может применяться для детектирования магнитоупругих маркерных устройств, описанных в настоящем документе. Один из примеров портативного устройства обнаружения описан в документе US 2012/068823, включенном в настоящее описание посредством ссылки. Такое устройство обнаружения может содержать одну антенну, которая используется для генерирования электромагнитного поля, а также для детектирования отклика магнитоупругого маркерного устройства 100, 200, 300. В одном из альтернативных аспектов портативное устройство обнаружения может содержать множество антенн, при этом одна антенна может использоваться для генерирования электромагнитного поля, а вторая антенна может использоваться для детектирования отклика магнитоупругого маркера на сгенерированное поле. Для более высокой мобильности устройство обнаружения может питаться от батареи. Интегрированный дисплей может обеспечивать пользователя множеством информации об обнаруженных маркерах и объектах, с которыми связаны магнитоупругие маркеры. Например, дисплей может обеспечивать информацию о глубине расположения маркера и объекта, направлении или другой информации о магнитоупругих маркерах. Примеры портативных устройств обнаружения включают локатор 3М™ Dynatel™ 1420 и локатор 3М™ Dynatel™ 7420, оба из которых поставляются компанией 3М Company, Сент-Пол, Миннесота. В одном воплощении программно-аппаратное обеспечение устройства обнаружения может быть запрограммировано таким образом, чтобы настраивать антенну локатора на излучение конкретной частоты или нескольких конкретных требуемых частот.
Таким образом, магнитоупругие маркерные устройства, описанные в настоящем документе, могут использоваться во многих различных применениях, связанных с идентификацией и определением местоположения. Например, магнитоупругое маркерное устройство может представлять собой отдельный маркер, он может физически крепиться к подземному объекту, такому как трубопровод или другие коммуникации, или он может крепиться к другому устройству, такому как предупредительная или сигнальная лента, расположенному на подземном объекте или вблизи него. Кроме того, магнитоупругие маркерные устройства, описанные в настоящем документе, могут быть использованы в окружающих условиях, отличающихся от подземных, например, они могут быть использованы при обнаружении и идентификации надземных объектов, иным образом спрятанных от обзора (например, в контейнере или внутри строительной стены, потолка или пола).
Настоящее изобретение сейчас будет описано со ссылками на несколько отдельных воплощений. Вышеприведенное подробное описание было приведено исключительно в целях ясности и понимания настоящего изобретения. Его не следует понимать, как ограничивающее. Для специалистов в данной области будет понятно, что в описанных воплощениях может быть сделано множество изменений без отклонения от сущности изобретения. Таким образом, объем настоящего изобретения не ограничен конкретными подробностями и конструкциями, описанными в настоящем документе, однако он ограничен конструкциями, описанными в формуле изобретения, а также эквивалентами этих конструкций.