Резонаторные маркеры эллиптической формы с повышенными стабильностью частоты и коэффициентом усиления
ELLIPSOIDAL RESONATOR MARKERS WITH HIGH FREQUENCY STABILITY AND GAIN

Уровень техники
Магнитомеханические резонаторы (MMR), также называемые магнитоупругими (MEL) резонаторами, хорошо известны и используются для обеспечения безопасности в розничной торговле десятилетиями. 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 содержит корпус; по меньшей мере один магнитоупругий элемент эллиптической формы или в сущности эллиптической формы, расположенный в корпусе; и по меньшей мере один магнит смещения, расположенный в корпусе, причем по меньшей мере один магнитоупругий элемент эллиптической формы выполнен с возможностью взаимодействия с внешним магнитным полем на конкретной частоте и преобразования магнитной энергии в механическую энергию в форме колебаний.
В другом аспекте по меньшей мере один магнитоупругий элемент эллиптической формы или в сущности эллиптической формы содержит по меньшей мере два магнитоупругих элемента эллиптической формы или в сущности эллиптической формы в виде этажерочной структуры.
В другом аспекте магнитоупругий элемент эллиптической формы или в сущности эллиптической формы содержит аморфный магнитный материал.
В другом аспекте магнитоупругому элементу эллиптической формы или в сущности эллиптической формы придана форма посредством одного из лазерной обработки, механической резки и штамповки
В еще одном аспекте настоящего изобретения магнитоупругое резонаторное устройство содержит по меньшей мере один магнитоупругий элемент эллиптической формы или в сущности эллиптической формы, имеющий первый продольный конец и второй продольный конец. Резонаторное устройство также содержит первый магнитный элемент смещения, расположенный вблизи первого продольного конца по меньшей мере одного магнитоупругого элемента эллиптической формы или в сущности эллиптической формы, и второй магнитный элемент смещения, расположенный вблизи второго продольного конца по меньшей мере одного магнитоупругого элемента эллиптической формы или в сущности эллиптической формы. Резонаторное устройство также содержит основу для поддержки по меньшей мере одного магнитоупругого элемента эллиптической формы или в сущности эллиптической формы и первого и второго элементов смещения.
В другом аспекте по меньшей мере один магнитоупругий элемент эллиптической формы или в сущности эллиптической формы содержит по меньшей мере два магнитоупругих элемента эллиптической формы или в сущности эллиптической формы в виде этажерочной структуры.
В другом аспекте магнитоупругое резонаторное устройство дополнительно содержит элемент ограничения перемещения, расположенный в центральной продольной области этажерочной структуры, для ограничения перемещения по меньшей мере двух магнитоупругих элементов относительно друг друга в центральной продольной области, при этом первый и второй концы выполнены с возможностью углового расхождения. В другом аспекте элемент ограничения перемещения обеспечивает удерживание каждого элемента друг относительно друга в центральной продольной области. В другом аспекте элемент ограничения перемещения содержит по меньшей мере один штифт, выполненный протяженным через каждый из множества ферромагнитных элементов.
В другом аспекте каждый из магнитоупругих элементов эллиптической формы или в сущности эллиптической формы содержит аморфный магнитный материал.
В еще одном аспект настоящего изобретения магнитоупругое резонаторное устройство в виде линейного массива содержит первое множество элементов эллиптической формы или в сущности эллиптической формы, расположенных в виде первой этажерочной структуры, причем каждый элемент имеет первый продольный конец и второй продольный конец, и второе множество элементов эллиптической формы или в сущности эллиптической формы, расположенных в виде второй этажерочной структуры, причем каждый элемент имеет первый продольный конец и второй продольный конец. Магнитоупругое резонаторное устройство в виде линейного массива дополнительно содержит первый магнитный элемент смещения, расположенный вблизи первого продольного конца первой этажерочной структуры, и второй магнитный элемент смещения, расположенный вблизи вторых продольных концов первой этажерочной структуры, причем второй магнитный элемент смещения также расположен вблизи первого конца второй этажерочной структуры, и третий магнитный элемент смещения, расположенный вблизи второго продольного конца второй этажерочной структуры.
В другом аспекте любое из предыдущих резонаторных устройств дополнительно содержит корпус, закрывающий резонаторное устройство. В другом аспекте корпус выполнен из нежесткого материала. В другом аспекте корпус имеет достаточную гибкость для прикрепления к свернутой в бухту трубе.
В другом аспекте любое из предыдущих резонаторных устройств характеризуется частотным диапазоном от приблизительно 34 кГц до приблизительно 80 кГц.
В другом аспекте любое из предыдущих резонаторных устройств может быть детектировано на глубине вплоть до приблизительно 48 дюймов под землей.
В другом аспекте система с магнитоупругим резонаторным маркером содержит любое из предыдущих магнитоупругих резонаторных устройств и портативное устройство обнаружения.
В другом аспекте любое из предыдущих резонаторных устройств может быть прикреплено к объекту, закопанному под землей.
В еще одном аспекте настоящего изобретения магнитоупругий резонатор с эллиптической пластиной содержит по меньшей мере одну эллиптическую пластину, выполненную из аморфного магнитного материала.
В еще одном аспекте настоящего изобретения магнитоупругий датчик содержит по меньшей мере один магнитоупругий резонатор с эллиптической пластиной или по меньшей мере любое из предыдущих магнитоупругих резонаторных устройств.
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 - покомпонентный вид магнитоупругого резонаторного устройства согласно первому аспекту настоящего изобретения;
Фиг. 2 - покомпонентный вид магнитоупругого резонаторного устройства согласно другому аспекту настоящего изобретения;
Фиг. 3 - вид сбоку магнитоупругого резонаторного устройства согласно другому аспекту настоящего изобретения;
Фиг. 4 - график, демонстрирующий относительный коэффициент усиления маркерного устройства, содержащего резонаторную полоску эллиптической формы, в сравнении с двумя разными маркерными устройствами, содержащими резонаторные полоски прямоугольной формы;
Фиг. 5 - график Q резонатора, измеренной в зависимости от поля смещения для разных форм резонатора;
Фиг. 6 - график среднеквадратического отклонения 4 выборок по частоте в зависимости от поля смещения для разных форм резонатора;
33
2
Фиг. 7 - график коэффициента преобразования энергии (значение K), измеренного в зависимости от поля смещения для разных форм резонатора;
Фиг. 8А-8С - графики среднеквадратических отклонений Q, коэффициента усиления и коэффициента преобразования энергии, измеренных в зависимости от поля смещения для разных форм резонатора;
Фиг. 9А и 9В - графики коэффициента усиления и Q в зависимости от поля смещения для разных форм резонатора в виде этажерочного массива;
Фиг. 10A и 10В - графики стабильности частоты эллиптического и прямоугольного резонаторных устройств в зависимости от поля смещения.
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.
В настоящем документе описывается маркер на основе магнитоупругого (MEL) резонатора («магнитоупругий маркер» для краткости) с увеличенной зоной распространения сигнала, используемый при обнаружении и идентификации объектов, таких как закопанные объекты. Резонаторная полоска эллиптической формы используется и обеспечивает повышенный коэффициент усиления по сравнению со стандартной резонаторной полоской прямоугольной формы при аналогичном аспектном соотношении. Такой магнитоупругий маркер может являться подходящим для использования в закапываемой инфраструктуре вследствие его низкой стоимости, низкого профиля и гибких компонентов. Кроме того, 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 в сравнении с традиционными магнитоупругими маркерами с резонаторными полосками прямоугольной формы. 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.
Описываются разные формы резонатора, используемые в магнитоупругом (MEL) маркере, а также описываются преимущества и положительные эффекты эллиптической формы. При сравнении прямоугольной и эллиптической форм отсутствует уникальное геометрическое сравнение. Исследователи решили сравнить резонаторы, в которых аспектное соотношение двух форм резонаторных полосок аналогично, а резонансные частоты близки. В контексте настоящего документа аналогичное аспектное соотношение описано следующим образом: (1) главные оси эллипса выходят за кромки прямоугольной формы; и (2) четыре угла прямоугольника выходят за пределы эллипса. Это представляет собой практическое сравнение с точки зрения работы в заданном диапазоне частот с обеспечением резонатора аналогичных размеров для упаковки. В этих практических условиях исследователи определили, что эллиптическая форма обеспечивает заметные преимущества в вариабельности и коэффициенте усиления сигнала. В случае выбора для сравнения другого геометрического критерия (например, при фиксированной ширине и такой же частоте), преимущества в отношении коэффициента усиления сигнала уменьшаются, но улучшение в отношении вариабельности сохраняется. Эта улучшенная вариабельность является важным признаком настоящего изобретения, поскольку она имеет практическую значимость при использовании недорогих аморфных материалов при обнаружении и маркировании, а также в областях применения датчиков, для которых отсутствие согласованности резонатора может ограничить рабочие характеристики.
В частности, как более подробно описано в настоящем документе, магнитоупругие резонаторы эллиптической формы из аморфного магнитного материала продемонстрировали превосходство перед резонаторами прямоугольной формы с аналогичными размерами, аспектным соотношением и резонансной частотой.
Более высокие рабочие характеристики проявляются в виде более высокого коэффициента усиления сигнала и в целом более высокого уровня согласованности динамических свойств и частоты в частности. Коэффициент усиления сигнала повышается за счет использования эллиптической формы для одного резонаторного устройства и нескольких резонаторных устройств.
На фиг. 1 и 2 соответственно показаны покомпонентные виды первого и второго аспектов настоящего изобретения - магнитоупругих маркерных устройств 100 и 100'. Магнитоупругое маркерное устройство 100 содержит корпус 110, который закрывает по меньшей мере один магнитоупругий резонаторный материал или элемент 150 эллиптической формы, также называемый резонаторной полоской, и магнит 140 смещения, расположенный в нем. Как показано на фиг. 2, в другом аспекте настоящего изобретения магнитоупругое маркерное устройство 100' может содержать две резонаторные полоски 150а и 150b эллиптической формы. В дополнительных аспектах настоящего изобретения магнитоупругое маркерное устройство может содержать три или более резонаторных полосок 150. Следует понимать, что магнитоупругое резонаторное устройство выполнено с возможностью взаимодействия с внешним магнитным полем на конкретной частоте и преобразования магнитной энергии в механическую энергию в форме колебаний резонаторной полоски (полосок). Энергия, излучаемая колеблющейся полоской (полосками), затем может быть детектирована устройством детектирования.
В предпочтительном аспекте резонаторная полоска 150 имеет эллиптическую форму. Таким образом, эта эллиптическая форма обеспечивает более однородное магнитное поле внутри резонаторного материала, поскольку эллиптическая форма (эллиптическая пластина в этом случае) характеризуется однородной намагниченностью при помещении в однородное магнитное поле. В отличие от нее, традиционные прямоугольные резонаторные полоски характеризуются в значительной степени переменным магнитным полем в резонаторном материале из-за полюсов, индуцированных на концах образца. Таким образом, магнитострикция представляет собой средневзвешенную величину, полученную из нижних значений возле концов прямоугольника и верхних значений в центральной части. Кроме того, эта вариация как в магнитном смещении постоянного тока, так и в сигнале переменного тока (поскольку они представляют собой оба индуцированных полюса постоянного тока и переменного тока) может привести к повышенной вариабельности от резонатора к резонатору в зависимости от того, как эта вариация взаимосвязана с пространственными вариациями магнитных свойств внутри материала. Как подробнее показано ниже в разделе экспериментов, резонаторные материалы эллиптической формы характеризуются более высоким коэффициентом усиления, чем прямоугольные резонаторные материалы при аналогичном аспектном соотношении.
Как упомянуто, магнит эллиптической формы характеризуется однородными магнитными полями. Для магнитоупругих маркерных устройств это применимо как к полю смещения (постоянного тока), так и к применяемому сигналу переменного тока. Эти более однородные поля могут привести к меньшей вариации в наблюдаемой магнитострикции (например, более выраженной магнитострикции возле концов резонаторного материала эллиптической формы) и меньшей вариации динамических параметров резонатора. Меньшая вариация в маркерах или датчиках, в свою очередь, ведет, в целом, к более высоким практическим характеристикам. Эти свойства более подробно описаны в разделе экспериментов.
В другом аспекте настоящего изобретения резонаторная полоска 150 не должна иметь полностью эллиптическую форму, вместо этого она может иметь закругленные кромки на своих концах, а основная часть не представляет собой идеальный эллипс. В этом аспекте такие закругленные углы приближаются по свойствам к идеальной эллиптической форме и, таким образом, обеспечивают положительный эффект того же уровня, что и резонатор с эллиптической пластиной.
В одном аспекте настоящего изобретения корпус 110 магнитоупругого маркерного устройства обеспечивает конструкцию для защиты магнитоупругого резонатора от условий окружающей среды при использовании в конкретных областях применения, например, при обнаружении и маркировании подземной и закопанной инфраструктуры.
В частности, корпус 110 содержит закрывающую часть 115 и отделяющую часть 160, расположенную между основанием корпуса и закрывающей частью 115. Отделяющая часть 160 обеспечивает физический элемент отделения между по меньшей мере одной резонаторной полоской 150 эллиптической формы и магнитным материалом 140 смещения.
Магнитоупругая резонаторная полоска 150 содержит ферромагнитный 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. Резонаторная полоска 150 также может содержать материал, подобный материалам, доступным от компании Vacuumschmelze GmbH, Hanau, Germany. Физические размеры, такие как длина, ширина и толщина резонаторной полоски (полосок) могут быть выбраны в зависимости от требуемой частоты отклика.
Как упомянуто выше, магнитоупругая резонаторная полоска (полоски) 150 имеют эллиптическую форму или по меньшей мере в сущности эллиптическую форму (т.е. они не обязательно выполнены в виде идеального эллипса, а имеют закругленные концы без острых углов). Придание такой формы может быть достигнуто различными способами, включая лазерную обработку, механическую резку и штамповку. Как упомянуто выше, закругленные кромки на концах полоски способствуют получению более согласованной магнитострикции на этих концах и, таким образом, способствуют повышению общей магнитострикции полоски, при этом повышая согласованность динамических параметров от одной части к другой.
Материал резонаторной полоски смещается под действием магнитных сил магнитного материала 140 смещения, такого как постоянный магнит или магнитно-жесткая или полужесткая металлическая полоска. В настоящем изобретении может использоваться магнитно-жесткий магнитный материал 140 смещения, который не поддается оперативной замене, поскольку его характеристики смещения не имеют тенденции к изменению в случае закапывания под землей. Магнитный слой 140 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. Магнитный слой 140 смещения может иметь размеры, аналогичные размерам резонаторной полоски (полосок) 150. По аналогии с линейными или прямыми магнитами, магнитный слой 140 смещения имеет магнитные полюсы, по одному на каждом конце.
Корпус 110 и его компоненты могут быть выполнены 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 резонаторной полоски и материала смещения. Кроме того, корпус и материал компонента могут быть выполнены в виде нежесткой или гибкой конструкции или за счет состава материала, или за счет толщины стенок корпуса. Например, проставочные элементы 125 могут быть выполнены в виде нежестких или гибких конструкций.
В дополнительном аспекте настоящего изобретения магнитоупругое маркерное устройство 100, 100' может быть расположено 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).
Магнитоупругое маркерное устройство 100, 100' может быть расположено на подземном объекте, таком как трубопровод, труба или другое устройство, или вблизи него. Например, магнитоупругое маркерное устройство 100, 100' 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).
Кроме того, магнитоупругое маркерное устройство 100, 100' может быть специально выполнено 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 100, 100' может характеризоваться частотным диапазоном от приблизительно 34 кГц до приблизительно 80 кГц. Следует отметить, что для операций обнаружения нежелательными являются сдвиги частоты, в которых несколько магнитоупругих маркерных устройств могут быть объединены для достижения 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 за счет векторной природы магнитного отклика.
Хотя было описано воплощение в виде магнитоупругого маркера, настоящее изобретение также применимо к резонаторам в магнитоупругих датчиках. В альтернативных аспектах магнитоупругое маркерное устройство 100, 100' может быть использовано в качестве детали системы индикации стерилизации, обеспечивающей время, температуру и/или химическую информацию. В дополнительном альтернативном аспекте магнитоупругое маркерное устройство 100, 100' может быть использовано в качестве детали системы индикации скоропортящихся (например, испорченных) продуктов, обеспечивающей информацию о времени и температуре. В дополнительном альтернативном аспекте магнитоупругое маркерное устройство 100, 100' 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 100, 100' может дополнительно содержать встроенную антенну для беспроводной передачи информации от датчиков. Альтернативно, магнитоупругое маркерное устройство 100, 100' 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.
Альтернативные конструкции маркерных устройств показаны на фиг. 3А и 3В. Например, на фиг. 3А показан другой аспект настоящего изобретения - магнитоупругое маркерное устройство 200. Магнитоупругое маркерное устройство 200 содержит множество магнитоупругих резонаторных материалов или элементов 250 эллиптической формы (также называемых в настоящем документе резонаторными полосками или полосами). В этом воплощении магнитоупругие резонаторные материалы эллиптической формы содержат четыре резонаторные полоски 250a-250d эллиптической формы, расположенные в конфигурации этажерочной структуры, при этом каждый элемент имеет первый продольный конец 251 и второй продольный конец 252. Хотя четыре резонаторные полоски показаны входящими в состав этажерочной структуры 250 из ферромагнитных элементов, множество ферромагнитных элементов может составлять один элемент, или этажерочную структуру из 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 или более резонаторных полосок, в зависимости от условий.
Резонаторные полоски 250a-250d могут быть уложены непосредственно друг поверх друга или, альтернативно, одна или более проставок, таких как клеевые точки (не показаны), могут быть расположены между резонаторными полосками в центральной продольной области этажерочной структуры 250, вследствие чего указанные полоски не контактируют непосредственно друг с другом в центральной области.
В этом аспекте каждая из резонаторных полосок 250a-250d содержит 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, Резонаторные полоски 150a-150d также могут содержать материал, подобный материалам, доступным от компании Vacuumschmelze GmbH, Hanau, Germany. Физические размеры, такие как длина, ширина и толщина резонаторной полоски (полосок) могут быть выбраны в зависимости от требуемой частоты отклика. Полосы могут быть отожженными или они могут представлять собой материал в состоянии непосредственно после закалки. В случае полосок/полос, изогнутых вдоль длинной оси, этажерочная структура из резонирующих магнитных элементов может включать некоторые полосы, ориентированные в отогнутом вверх положении, тогда как остальные полосы ориентированы в отогнутом вниз положении, таким образом способствуя обеспечению уменьшения потенциального сдвига частоты при вращении вдоль длинной оси в горизонтальной ориентации. В некоторых аспектах каждый из магнитоупругих элементов содержит магнитоупругую металлическую полоску эллиптической формы или в сущности эллиптической формы с длиной главной оси приблизительно от 25 мм до 40 мм. В другом аспекте каждый из элементов содержит металлическую полоску с длиной главной оси приблизительно от 40 мм до 65 мм.
Данная конструкция отличается от конструкций маркеров, описанных выше со ссылкой на фиг. 1 и 2 тем, что устройства 100, 100' обеспечивают магниты смещения, расположенные под, над или сбоку от резонаторной полоски или полосок. Вместо этого, магнитоупругое маркерное устройство 200 содержит магнитные элементы смещения, расположенные на каждом конце этажерочной структуры из резонаторных элементов. Как показано на фиг. 3А, первый магнитный элемент смещения, такой как магнит 240а смещения, расположен вблизи конца 251 этажерочной структуры из резонаторных элементов, при этом второй магнитный элемент смещения, такой как магнит 240b смещения, расположен вблизи конца 252 этажерочной структуры из резонаторных элементов. Магнитные оси магнитов 240а, 240b смещения установлены в одном общем направлении вдоль длинной оси этажерочной структуры из полос. Такая ориентация магнитного элемента смещения может способствовать уменьшению воздействия силы тяжести на этажерочную структуру из ферромагнитных элементов (например, если магнит смещения расположен сверху одного или более ферромагнитных элементов, сила тяжести будет оттягивать элемент (элементы) от магнита смещения). При конфигурации с концевым смещением, описанной в настоящем документе, даже если магнитоупругое маркерное устройство перевернуто верхней стороной вниз, на сигнал от этажерочной структуры 250 из резонаторных элементов не будет оказываться существенного влияния.
Кроме того, в некоторых аспектах конфигурация с концевым смещением и использование магнитов смещения с шириной, сравнимой с малой осью резонатора, являются предпочтительными для резонатора с эллиптической пластиной. Это связано с тем, что внутренняя намагниченность является более однородной при размещении в более однородном поле, причем концевой магнит смещения большего размера улучшает этот аспект. Кроме того, эллиптическая форма обладает преимуществом по сравнению с прямоугольной формой в отношении влияний силы тяжести. За счет эллиптической формы на концах имеется относительно меньшая масса, а центральный участок является более жестким. Эти изменения формы обуславливают более жесткую балку с меньшим изгибом, вызванным силой тяжести.
Каждый из магнитных элементов 240а, 240b смещения может содержать постоянный магнит или магнитно-жесткую или магнитно-полужесткую металлическую полоску. 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 слой 240 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 1А'' (ширина), при этом намагниченность реализована по толщине. Разумеется, размеры магнита смещения могут варьироваться в зависимости от размера и ширины резонаторного элемента. Например, в случае линейных или прямых магнитов каждый из магнитных элементов 240а, 240b смещения может иметь магнитные полюса - по одному на каждом конце, как показано обозначениями N и S (см., например, фиг. 3В).
В другом аспекте магнитоупругое маркерное устройство 200 может содержать концентраторы поля, расположенные между магнитными элементами смещения и каждым из концов этажерочной структуры из резонаторных элементов. Концентраторы поля помогают собирать и направлять магнитное поле от магнитных элементов смещения к концам этажерочной структуры из резонаторных элементов. Такая конфигурация может быть в меньшей степени подвержена ошибкам позиционирования и обеспечивает лучшее дистанцирование/отделение от концов этажерочной структуры из резонаторных элементов, и при этом она может способствовать обеспечению более прямых линий магнитной индукции и меньшей силе магнитного притяжения. Кроме того, использование концентратора поля делает возможным использование более мелких постоянных магнитов в качестве магнитных элементов смещения, что способствует снижению стоимости компонентов. Кроме того, в случае резонатора с эллиптической пластиной, повышенная однородность поля смещения за счет концентратора поля используется при повышении однородности внутреннего поля, как описано выше.
В конструкции как маркеров, так и датчиков требуются некоторые средства для фиксации резонаторов в блоке. Хотя существует ряд возможных способов удержания резонаторов, в настоящем документе будет описана пара возможных вариантов, которые не должны рассматриваться как ограничивающие настоящее изобретение, причем другие средства, не описанные в настоящем документе, также могут использоваться для фиксации резонаторов в устройстве, как будет очевидно среднему специалисту в данной области техники с учетом настоящего описания. Например, магнитоупругое маркерное устройство 200 может дополнительно содержать зажимной элемент 260, расположенный в центральной продольной области этажерочной структуры 250 из резонаторных элементов. Зажимной элемент 260 ограничивает перемещение ферромагнитных элементов 250a-250d относительно друг друга в месте зажимного элемента. Зажимной элемент 260 может содержать жесткий элемент или подобную рамочной конструкцию, как показано на фиг. 3А. В дополнительном аспекте зажимной элемент 260 может быть сформирован из магнитного материала или набора небольших магнитов. Альтернативно зажимной элемент 260 может содержать один или более штифтов, вставленных через каждую полоску 250a-250d. Использование центрального штифта в качестве зажимного элемента также может способствовать предотвращению латерального перемещения одного или более резонаторных элементов в направлении к одному из концевых магнитов смещения. Если один или более из отдельных резонаторных элементов перемещается немного от точного центрального положения, сила притягивания возрастает и со временем притягивает некоторые из отдельных резонаторных элементов к концу, что может снижать Q и мощность сигнала.
В случае расположения магнитов смещения, показанного на фиг. 3А, полосы/полоски 250a-250d в этажерочной структуре 250 резонатора намагничиваются при воздействии магнитного поля смещения с каждого конца. Эта конфигурация создает силы отталкивания между всеми полосами/полосками 250a-250d на каждом конце, обеспечивая угловое расхождение или раскрытие концов полос/полосок при удерживании вместе этажерочной структуры резонатора в центральной области с помощью зажимного элемента 260, в то же время все концы полос подвержены воздействию силы притягивания к магнитным элементам смещения вдоль длинной оси полосы/полоски. Это создает тянущее усилие вдоль продольной оси полос/полосок и поперек силы отталкивания, обеспечивая удерживание в воздухе всех концов полос в концевых областях 251, 252 с отсутствием поверхностного контакта между полосами/полосками в концевых областях 251, 252 (предполагается наличие поверхностного контакта в центральной области при удерживании посредством зажимного элемента 160, за исключением случаев, когда между полосами/полосками используются проставки) независимо от первоначальной изогнутости полос/полосок 250a-250d.
В одном аспекте зажимной элемент 260 выполнен с возможностью удерживания каждого ферромагнитного элемента относительно друг друга в центральной продольной области. В другом аспекте зажимной элемент 260 может содержать амортизирующий элемент для способствования уменьшению перемещения этажерочной структуры из резонаторных элементов при воздействии на MMR значительных вибраций во время транспортировки и установки.
Аналогично, при воздействии внешнего магнитного поля на определенной частоте резонаторные полоски взаимодействуют с магнитным полем и преобразовывают магнитную энергию в механическую энергию в виде магнитомеханических колебаний резонаторных полосок. Поскольку центральная часть этажерочной структуры 250 зафиксирована от перемещения посредством зажимного элемента 260, первый и второй концы каждого резонаторного элемента 250a-250d могут быть подвержены угловому расхождению. При воздействии магнитного поля смещения, первые концы 251a-251d могут расходиться под углом друг относительно друга на одном конце этажерочной структуры из элементов, при этом вторые концы 252a-252d могут расходиться под углом друг относительно друга на втором конце этажерочной структуры из элементов.
При работе магнитоупругое маркерное устройство 200 резонирует на своей характеристической частоте при опросе (с использованием, например, портативного локатора), при этом переменное магнитное поле настраивается на 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, магнитоупругое маркерное устройство 200 может быть обнаружено посредством его возбуждения внешним переменным магнитным полем, если энергия хранится в маркере, и последующего детектирования магнитного поля, генерируемого маркерным устройством, поскольку он рассеивает свою сохраненную энергию экспоненциально на своей собственной резонансной частоте. Такой ответный сигнал предупреждает поискового технического работника о присутствии магнитоупругого маркерного устройства 200.
Другой аспект, связанный с локаторными системами, заключается в том, что время реакции системы ограничено эффективностью рабочего персонала, что ограничивает минимальную полосу пропускания приемника локатора. При использовании техническим работником ручного локатора для нахождения закопанных маркеров для эффективности работы предпочтительно располагать быстрой реакцией системы.
Дополнительный аспект заключается в том, что максимальная передаваемая мощность может быть ограничена органами радиочастотного надзора, наряду с весом и размером батареи.
Таким образом, магнитоупругое маркерное устройство с высоким коэффициентом усиления, стабильное по частоте и коэффициенту усиления при стандартных условиях окружающей среды, является предпочтительным для максимизации расстояния детектирования в наиболее неблагоприятном варианте закопанного маркера или кластера из маркеров независимо от выходной мощности локатора.
При использовании для усиления отклика множества магнитоупругих маркерных устройств более высокий коэффициент усиления достигается посредством высокостабильных маркеров, а также конфигураций, которые варьируются предсказуемым образом, при этом сигналы всех маркеров в кластере смещаются в сущности на одинаковую величину и продолжают складываться в зависимости от количества маркеров в кластере, вместо того, чтобы, в худшем случае, вычитаться друг из друга вследствие изменения фазы.
Для целей детектирования предпочтительно иметь такую конструкцию, как предложенная в описанных в настоящем документе воплощениях, для того, чтобы обеспечить более высокую стабильность и предсказуемость и, таким образом, более высокочувствительный маркер.
Имеется несколько связанных с работой характеристик, таких как частота, сигнал и Q, которые могут быть оптимизированы в рамках локаторной системы с магнитоупругий маркером, при этом каждая из них обладает своими собственными преимуществами, в зависимости от специфического критерия применения и детектирования. Во многих применениях ориентация и вращение магнитоупругого маркерного устройства не могут контролироваться. Магнитное поле Земли добавляется к полю смещения полосы как вектор, тем самым увеличивая или уменьшая его на величину до +/- 0,6 Э. Это обеспечивает меньший сдвиг частоты при использовании этажерочной структуры резонатора более высокого порядка. Как наблюдается, сила притяжения Земли, действующая на удерживаемую полосу, более эффективно действует на длинные полосы, необходимые для некоторых частотных диапазонов. Таким образом, предпочтительным является конструирование и конфигурирование маркера на основе MMR, как описано в настоящем документе, для получения стабильных характеристик во всех ориентациях. Кроме того, как будет далее показано на фиг. 6, резонатор с эллиптической пластиной становится более стабильным по частоте, несмотря на изменения поля смещения (такие как вращение в поле Земли) в области с высоким коэффициентом усиления, в то время как прямоугольные резонаторы становятся более чувствительными в области с высоким коэффициентом усиления - в плане вариабельности от одной детали к другой.
В одном аспекте изобретения магнитоупругое маркерное устройство 200 может также содержать дополнительные ограничители 270а и 270b перемещения, расположенные, соответственно, между центральной областью и соответствующими концами 251 и 252 этажерочной структуры 250 из элементов. В одном аспекте дополнительные ограничители 270а, 270b перемещения могут быть расположены вдоль этажерочной структуры 150 резонатора на расстоянии приблизительно 1/3 расстояния между центральной областью и каждым соответствующим концом 251, 252. Альтернативно, в другом аспекте дополнительные ограничители 270а, 270b перемещения могут быть расположены ближе к концам 251, 252 этажерочной структуры резонатора. Каждый из ограничителей 270а, 270b перемещения ограничивает величину углового расхождения этажерочной структуры резонатора. Фактически, ограничители 270а, 270b перемещения могут быть выполнены такого размера, который обеспечивает некоторое разделение между элементами, то есть чтобы полосы/полоски 250a-250d не могли контактировать друг с другом. Дополнительные ограничители перемещения способствуют уменьшению сгибания полос/полосок большей длины (и этажерочных структур высокого порядка) вследствие земного притяжения. Ограничители 270а, 270b перемещения могут быть выполнены из жесткого пластмассового материала и выполняют функцию уменьшения изменений частоты сигнала при изменении ориентации магнитоупругого маркерного устройства (относительно поверхности земли).
В одном из альтернативных аспектов настоящего изобретения этажерочная структура 250 резонатора может содержать резонаторные полоски, имеющие изогнутость вдоль длинной оси (эффект обработки, возникающий вследствие охлаждения на холодном вале), причем резонаторные полоски из первого набора ориентированы «отогнутыми вверх», а резонаторные полоски из второго набора ориентированы «отогнутыми вниз». Резонаторные полоски могут быть уложены в этажерочную структуру так, чтобы половина полос была отогнута вниз, а половина полос была отогнута вниз, при этом соседние отогнутые элементы направлены друг от друга с обеспечением чередования. Такое расположение может обеспечивать дополнительную стабильность частоты в любой ориентации, при которой этажерочная структура резонатора будет характеризоваться общей симметрией при вращениях вверх и вниз. При такой ориентации полосы, расположенные ближе всего к верхней и нижней крышкам, могут быть использованы для ограничения подвижности всей этажерочной структуры из полос вследствие действия силы тяжести (может происходить небольшое касание).
В другом аспекте магнитоупругое маркерное устройство 200 может дополнительно содержать основу 215 для расположения на ней других компонентов магнитоупругого маркерного устройства, таких как концевые магниты 240а, 240b смещения и центральный зажимной элемент 260. Таким образом, основа 215 может обеспечивать дистанцирование магнитов 240а, 240b смещения от концов 251, 252 расположенных в виде этажерочной структуры элементов. Основа 215 может быть выполнена из гибкого пластмассового материала, при этом магнитоупругое маркерное устройство может гнуться (например, при прикреплении к гибкой трубе).
Как показано на покомпонентном виде на фиг. 3А, магнитоупругое маркерное устройство 200 может дополнительно содержать корпус или крышку 210. Корпус или крышка 210 выполнены с возможностью закрывания вышеупомянутых компонентов маркера. Корпус 210 и основа 215 могут быть выполнены 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 резонаторной полоски 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 магнитоупругое маркерное устройство 200 может быть расположено 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).
Как и с устройствами 100, 100', описанными выше, магнитоупругое маркерное устройство 200 может быть расположено на подземном объекте, таком как трубопровод, труба или другое устройство, или возле него, или оно используется иным образом, как описано ранее.
В другом аспекте настоящего изобретения на фиг. 3В показано магнитоупругое маркерное устройство 200', сформированное в виде линейного массива из магнитоупругих маркерных устройств 201 и 202. В этой конструкции в виде массива магнитоупругие маркерные устройства 201, 202 имеют общий концевой магнитный элемент 240b смещения. Опционально, магнитоупругие маркерные устройства 201, 202 могут также иметь общую основу 215. Как будет очевидно среднему специалисту в данной области, с учетом настоящего описания, также может быть использована альтернативная резонаторная конструкция в виде линейного массива, имеющая три, четыре, пять или более маркеров, каждый из которых имеет по меньшей мере один концевой магнит смещения, общий с другим маркером на основе MMR. Эта конструкция в виде линейного массива может обеспечивать более мощный сигнал (приблизительно пропорционально количеству маркеров в массиве), в то же время используя общие концевые магниты.
В частности, первое магнитоупругое маркерное устройство 201 содержит множество магнитоупругих элементов 250 эллиптической формы или в сущности эллиптической формы. В этом аспекте элементы содержат четыре резонаторные полоски 250a-250d, расположенные в конфигурации этажерочной структуры, при этом каждый элемент имеет первый продольный конец 251 и второй продольный конец 252. Хотя четыре резонаторные полоски показаны входящими в состав этажерочной структуры 250 из элементов, множество элементов может составлять этажерочную структуру из 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 или более резонаторных полосок, в зависимости от условий. Резонаторные полоски 250a-250d могут быть уложены непосредственно друг поверх друга или, альтернативно, одна или более проставок, таких как клеевые точки (не показаны), могут быть расположены между резонаторными полосками в центральной продольной области 253 этажерочной структуры 250, вследствие чего указанные полоски не контактируют непосредственно друг с другом в центральной продольной области 253.
Аналогично, второе магнитоупругое маркерное устройство 202 содержит множество элементов 255 эллиптической или в сущности эллиптической формы. В этом аспекте элементы содержат четыре резонаторные полоски 255a-255d, расположенные в конфигурации этажерочной структуры, при этом каждый ферромагнитный элемент имеет первый продольный конец 256 и второй продольный конец 257. Хотя четыре резонаторные полоски показаны входящими в состав этажерочной структуры 255 из ферромагнитных элементов, множество ферромагнитных элементов может составлять этажерочную структуру из 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 или более резонаторных полосок, в зависимости от условий. Резонаторные полоски 255a-255d могут быть уложены непосредственно друг поверх друга или, альтернативно, одна или более проставок, таких как клеевые точки (не показаны), могут быть расположены между резонаторными полосками в центральной продольной области 258 этажерочной структуры 255, вследствие чего указанные полоски не контактируют непосредственно друг с другом в области 258.
Каждая из резонаторных полосок 250a-250d и 255а-255d может содержать магнитоупругий резонаторный материал эллиптической формы с магнитострикционными свойствами, такой как материалы, описанные выше.
Каждое из магнитоупругих маркерных устройств 201 и 202 содержит магнитные элементы смещения, расположенные на каждом конце этажерочной структуры из резонаторных элементов. Как показано на фиг. 2, первый магнитный элемент смещения, такой как магнит 240а смещения, расположен вблизи конца 251 первой этажерочной структуры 250 из резонаторных элементов, при этом второй магнитный элемент смещения, такой как магнит 240b смещения, расположен вблизи конца 252 этажерочной структуры 250 из резонаторных элементов.
Как упоминалось ранее, в такой кластерной конфигурации, концевой магнит 240b смещения совместно используется магнитоупругим маркерным устройством 201 и магнитоупругим маркерным устройством 202. Магнит 240b смещения расположен вблизи конца 256 второй этажерочной структуры 255 из резонаторных элементов, при этом другой магнитный элемент смещения, такой как магнит 240 с смещения, расположен вблизи конца 257 этажерочной структуры 255 из резонаторных элементов.
Каждый из магнитных элементов 240а, 240b, 240с смещения может содержать постоянный магнит или магнитно-жесткую, или магнитно-полужесткую металлическую полоску, такие как материалы, описанные выше. В другом аспекте одно или более магнитоупругих маркерных устройств 201 и 202 могут содержать концентраторы поля, расположенные между магнитными элементами смещения и каждым из концов этажерочной структуры из резонаторных элементов. Концентраторы поля помогают собирать и направлять магнитное поле от магнитных элементов смещения к концам этажерочной структуры из резонаторных элементов. Как упомянуто ранее, концентраторы могут улучшать однородность и, таким образом, рабочие характеристики резонаторов с эллиптической пластиной.
Кроме того, каждое из магнитоупругих маркерных устройств 201 и 202 может содержать зажимной элемент, такой как зажимной элемент 260, расположенный в центральной продольной области 253 этажерочной структуры 250 из резонаторных элементов, и зажимной элемент 261, расположенный в центральной продольной области 258 этажерочной структуры 255 из резонаторных элементов. Зажимные элементы ограничивают перемещение ферромагнитных элементов 250a-250d, 255а-255d относительно друг друга. Зажимные элементы 260, 261 могут содержать те же материалы и конструкции, которые описаны выше. Кроме того, один или оба из зажимных элементов 260, 261 могут содержать амортизирующий элемент для способствования уменьшению перемещения этажерочной структуры из резонаторных элементов при воздействии на магнитоупругое маркерное устройство значительных вибраций во время транспортировки или установки.
Аналогично, при воздействии внешнего магнитного поля на определенной частоте резонаторные полоски взаимодействуют с магнитным полем и преобразовывают магнитную энергию в механическую энергию в виде магнитомеханических колебаний резонаторных полосок. Как показано на фиг. 2, поскольку центральные части этажерочных структур 250, 255 зафиксированы от перемещения посредством зажимных элементов 260, 261, первый и второй концы каждого резонаторного элемента 250a-250d, 255a-255d подвержены угловому расхождению. Как показано на фиг. 2А, при воздействии магнитного поля смещения, первые концы этажерочных структур 250, 255 резонатора расходятся под углом друг относительно друга на одном конце соответствующих этажерочных структур из элементов, при этом вторые концы расходятся под углом друг относительно друга на соответствующих вторых концах этажерочных структур из элементов.
Каждое из магнитоупругих маркерных устройств 201, 202 может дополнительно содержать дополнительные ограничители перемещения, такие как описанные выше. Например, в случае магнитоупругого маркерного устройства 201 дополнительный ограничитель 270а перемещения может быть расположен между первым концом 251 и центральной областью 253, при этом второй ограничитель 270b перемещения может быть расположен между вторым концом 252 и центральной областью 253 этажерочной структуры 250 из элементов. Аналогично, ограничитель 271а перемещения может быть расположен между первым концом 256 и центральной областью 258, при этом второй ограничитель 271b перемещения может быть расположен между вторым концом 257 и центральной областью 258 этажерочной структуры 255 из элементов. Позиционирование ограничителя перемещения вдоль этажерочной структуры из резонаторных элементов может быть аналогичным позиционированию, описанному выше применительно к магнитоупругому маркерному устройству 200. Ограничители перемещения могут быть сконструированы аналогично тому, как описано выше.
Как упоминалось выше, в одном аспекте магнитоупругие маркерные устройства 201, 202 могут иметь общую основу 215 для расположения других компонентов маркеров на основе MMR. В одном альтернативном аспекте каждое магнитоупругое маркерное устройство 201, 202 может иметь отдельную основу. Основа 215 может быть выполнена из гибкого пластмассового материала, при этом кластерное магнитоупругое маркерное устройство 200' может гнуться (например, при прикреплении к гибкой трубе).
Кроме того, кластерное магнитоупругое маркерное устройство 200' может дополнительно содержать корпус или крышку, выполненные с возможностью закрывания маркеров 201, 202. Корпус может быть сконструирован аналогично корпусам, описанным выше. В альтернативном аспекте настоящего изобретения кластерное магнитоупругое маркерное устройство 200 может быть расположено 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).
Как и в предыдущих воплощениях, магнитоупругое маркерное устройство 200' может быть расположено на подземном объекте, таком как трубопровод, труба или другое устройство, или вблизи него. Например, магнитоупругое маркерное устройство 200' 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, 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).
Как описано выше, 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).
Портативное устройство обнаружения может применяться для детектирования маркеров на основе MMR, 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 маркера 100, 100', 200 на основе MMR. 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 маркера на основе MMR на сгенерированное поле. Для более высокой мобильности устройство обнаружения может питаться от батареи. Интегрированный дисплей может обеспечивать пользователя множеством информации об обнаруженных маркерах на основе MMR и объектах, с которыми связаны маркеры на основе MMR. Например, дисплей может обеспечивать информацию о глубине расположения маркера и объекта, направлении или другой информации о маркерах на основе MMR. 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.
В альтернативных аспектах магнитоупругие маркерные устройства, описанные в настоящем документе, могут использоваться в качестве детали системы индикации стерилизации, обеспечивающей время, температуру и/или химическую информацию. В дополнительном альтернативном аспекте магнитоупругие маркерные устройства, описанные в настоящем документе, могут быть использованы в качестве детали системы индикации скоропортящихся (например, испорченных) продуктов, обеспечивающей информацию о времени и температуре. В дополнительном альтернативном аспекте магнитоупругие маркерные устройства, описанные в настоящем документе, могут быть использованы в качестве детали системы обнаружения утечки, обеспечивающей информацию об утечке для надземных или подземных коммуникаций. Альтернативно, магнитоупругие маркерные устройства, описанные в настоящем документе, могут быть выполнены таким образом, чтобы они были подвержены влиянию изменяющихся условий, поскольку ответный сигнал может варьироваться с течением времени или в зависимости от условий, тем самым предоставляя пользователю определенную информацию.
Эксперименты
Был проведен ряд экспериментов, в ходе которых сравнивали различные свойства резонаторных материалов эллиптической формы относительно резонаторных материалов традиционной прямоугольной формы. Резонаторные материалы были предоставлены компанией Metglas (Metglas 2826МВ3, с вырезом по центру, неотожженый) и были либо вырезаны лазером (эллиптические образцы и прямоугольные образцы, вырезанные лазером, размером приблизительно 0,48'' × 1,68''), либо вырезаны ножницами (прямоугольные образцы, вырезанные ножницами, размером 0,45'' × 1,68''). Резонансные частоты между эллиптическими и прямоугольными образцами находились в пределах 2%, а масса каждого образца находилась в пределах 10% (эллиптические образцы были на 9% тяжелее прямоугольных образцов). Аспектные соотношения и размеры поддерживали аналогичными (эллиптический образец был немного длиннее), как указано ранее при описании геометрического сравнения эллиптических пластин и прямоугольных пластин с точки зрения практического применения.
В целом, эксперименты были разработаны таким образом, что различия в резонаторных характеристиках можно связать с формой и в меньшей степени - с другими факторами. В целом, магнитострикция полосы непосредственно после отливки варьируется в направлении, поперечном полотну. По этой причине использовали одну и ту же партию материала (чтобы устранить варьирование в разных партиях), причем как прямоугольные резонаторы, так и резонаторы с эллиптической пластиной вырезали точно из центра полотна для ориентации длинной оси резонатора.
Чтобы связать различия с формой, прямоугольные образцы вырезали как лазером, так и ножницами. Образцы эллиптической формы лучше всего было вырезать лазером, поскольку штампы такой формы сложно изготовить, а их четкость сложно поддерживать. Для образцов, вырезанных ножницами, гильотинные ножницы были заточены специалистом и предварительная нагрузка на лезвие была оптимизирована. Вырезали несколько образцов каждого типа. Проводили базовые измерения динамических параметров и 4 наивысших показателя каждой конструкции использовали для получения средних и среднеквадратических отклонений. Критерий получения наивысшего показателя основан на общем коэффициенте усиления сигнала с использованием методики измерения, описанной ниже.
Резонаторы испытывали в устройстве с двумя катушками, причем большую катушку Гельмгольца использовали для создания поля смещения постоянного тока, и меньшую катушку переменного тока использовали для измерения динамических параметров. Динамические параметры измеряли с использованием метода внесенной полной проводимости в комплексной плоскости (см. «Electroacoustics» авторства Frederick Hunt для описания анализа резонаторов в комплексной плоскости с использованием внесенного полного сопротивления или внесенной полной проводимости). Данные получали с использованием анализатора схем с рефлекторным мостом (HP 3577А). Медленную развертку (30 секунд) использовали для достижения точных и устойчивых условий, указывающих на отклик материала, в отличие от комбинации материалов и параметров оборудования. Эквивалентный отклик на вызов для заданного времени накопления заряда и время вызова можно вычислить из этих данных с использованием измеренной частоты и Q посредством стандартных уравнений. Сравнения данных в настоящем документе представляют собой решения для полностью установившегося состояния.
Эксперимент 1
Первый эксперимент был выполнен путем сравнения относительного коэффициента усиления маркерного устройства, содержащего резонаторную полоску эллиптической формы, с двумя разными маркерными устройствами, содержащими резонаторные полоски прямоугольной формы. Кривая, обозначенная «коэффициент усиления эллиптического образца», представляет коэффициент усиления маркерного устройства, содержащего резонаторный материал эллиптической формы в описываемой испытательной установке. Форма резонаторной полоске была придана с помощью лазерной резки. Эллиптический образец имеет резонансную частоту на уровне приблизительно 49 кГц. Кривые, обозначенные «коэффициент усиления прямоугольного образца, вырезанного лазером» и «коэффициент усиления прямоугольного образца, вырезанного ножницами» представляют коэффициент усиления для образцов прямоугольной формы, вырезанных лазером и вырезанных ножницами.
Результаты показаны на фиг. 4.
Эти результаты представляют собой среднее от 4 наилучших резонаторов каждого типа из 10 (9 для эллиптической формы). Этот подход «верхние 40%» применяли для сглаживания эффектов материала и вариаций процесса при сравнении.
Относительный коэффициент усиления измеряли в зависимости от поля Н. Как можно увидеть на фиг. 4, эллиптический образец, вырезанный лазером, представляет собой конструкцию с наивысшим коэффициентом усиления при всех значениях поля смещения с пиками на уровне от приблизительно 5,5 до 6 Э. Увеличение коэффициента усиления может быть связано как с формой, так и с процессом резки, но эти факторы не обязательно являются совокупными, поскольку существует вероятность взаимосвязи между формой и процессом. Увеличение величиной 3,3-3,6 дБ, наблюдаемое в одном резонаторе, является существенным увеличением с учетом вариации материалов. Что касается прямоугольных форм, то резонатор, вырезанный лазером, несколько превосходит резонатор, вырезанный ножницами. В целом, способы резки могут варьироваться по качеству в зависимости от конкретных параметров процесса и механического состояния ножниц. В данном эксперименте было обнаружено, что эллиптический образец продемонстрировал улучшенные показатели, превышающие показатели, полученные посредством только способа резки.
Эксперимент 2
Был выполнен второй эксперимент, в котором Q резонатора измеряли в зависимости от поля смещения. Образцы были такие же, как в эксперименте 1. Результаты показаны на фиг. 5.
Как видно, в области высокого коэффициента усиления, приблизительно на уровне 6 Э, наблюдалась в некоторой мере заметная разница в Q. При более высоком смещении коэффициент Q у эллиптического образца был ниже. Это и не удивительно, поскольку эллиптический образец демонстрирует более выраженный перенос энергии из магнитной в акустическую, и «внутреннюю Q» следует понимать, как обратно пропорциональную этой величине.
Эксперимент 3
Был выполнен третий эксперимент, в котором измеряли среднеквадратическое отклонение 4 выборок по частоте в зависимости от поля смещения. Образцы были такие же, как в эксперименте 1. В этих расчетах длина образца, вырезанного ножницами, была скорректирована математически таким образом, что вариация частоты связана только с вариацией материалов. Результаты показаны на фиг. 6.
На фиг. 6 показано, что оба прямоугольных образца стали более чувствительны к вариации от образца к образцу по мере приближения к области высокого коэффициента усиления, и достигали пика от 6,5 до 7 Э. В отличие от них, эллиптический резонатор стал менее чувствительным к вариации в области высокого коэффициента усиления на уровне 6 Э. Было обнаружено снижение вариации частоты от 100-150 Гц до менее, чем 25 Гц. Это свойство полезно для применения как в маркерах, так и в датчиках. Для маркеров это может уменьшить вариации от части к части в одном резонаторе, и сделать резонаторы более согласованными в многоярусном или линейном массиве резонаторов. Это также может быть существенным для получения вариации и для систем детектирования в датчиках на основе MMR.
Эксперимент 4
33
2
Был выполнен четвертый эксперимент, в котором значение коэффициента преобразования энергии (K, иногда называемое квадратом коэффициента связи) измеряли в зависимости от поля смещения. Образцы были такие же, как в эксперименте 1. Результаты показаны на фиг. 7.
33
33
2
2
Было обнаружено, что последовательность, видимая в кривой коэффициента усиления (фиг. 4), также отражена в относительном порядке для коэффициента преобразования энергии. Было обнаружено, что коэффициент преобразования из внешнего поля Н во внутреннее поле В на 21% выше для эллиптического образца по сравнению с прямоугольным образцом, вырезанным ножницами. Как упомянуто выше, поле В является более однородным для эллиптического образца и не спадает возле концов, что характерно для прямоугольного образца. Таким образом, перенос энергии из магнитной в акустическую является более выраженным в эллиптическом образце, вероятно из-за влияния однородного поля. Это увеличение в K непосредственно влияет на повышенный коэффициент усиления сигнала, поскольку коэффициент усиления пропорционален логарифму произведения K, Q и эффективной обратимой магнитной проницаемости. Хотя эллиптический образец продемонстрировал немного более низкое значение Q, коэффициент преобразования энергии был заметно выше.
Эксперимент 5
Был выполнен пятый эксперимент, в котором среднеквадратические отклонения Q, коэффициента усиления и коэффициента преобразования энергии измеряли в зависимости от поля смещения. Образцы были такие же, как в эксперименте 1. Результаты показаны на фиг. 8А-8С. Следует отметить, что ось ординат для каждого графика отличается.
На фиг. 8А можно увидеть, что вариация Q является небольшой для всех резонаторов, причем эллиптический резонатор в общем является более согласованным, чем прямоугольные резонаторы.
На фиг. 8В можно увидеть, что вариация коэффициента усиления является относительно небольшой для всех резонаторов. Также можно увидеть, что эллиптический образец демонстрирует наименьшую вариацию при пиковом коэффициенте усиления (~ 6 Э) в виде существенного отношения >4:1.
На фиг. 8С показано, что преобразование энергии является более согласованным для эллиптического резонатора, причем оба образца прямоугольной формы продемонстрировали аналогичную вариацию (и аналогичную форму кривой) относительно поля смещения. Увеличение вариации для образцов прямоугольной формы вблизи области высокого коэффициента усиления аналогично увеличению, наблюдаемому для вариации частоты, показанной на фиг. 6. Аналогично, эллиптический резонатор демонстрирует в 2-3 раза более низкую вариацию в преобразовании энергии.
Эксперимент 6
Был выполнен шестой эксперимент. В этом эксперименте конструкция резонаторного устройства была изменена, вследствие чего каждую из резонаторных полосок эллиптической формы и прямоугольных резонаторных полосок, вырезанных ножницами, использовали в конструкции этажерочного массива, аналогичной конструкции магнитоупругого маркерного устройства, показанной на фиг. 3А, но со смещением от катушки Гельмгольца в измерительной системе. В этом эксперименте в каждом устройстве использовали четыре резонаторных элемента. В этих экспериментах получили коэффициент усиления и Q в зависимости от поля смещения. Результаты показаны на фиг. 9А и 9В.
На фиг. 9А можно увидеть, что коэффициент усиления отдельных резонаторов величиной 3,6 дБ в сущности присутствует в полном коэффициенте усиления массива в виде этажерочной структуры из четырех элементов, причем дополнительный синергетический коэффициент усиления не наблюдается. Эллиптический резонатор демонстрирует более высокий коэффициент усиления, но при более мощном, в некоторой степени, поле смещения.
Как показано на фиг. 9В, практическая разница в измеренных значениях Q при пиковом коэффициенте усиления отсутствует. Это согласуется с более ранним наблюдением о том, что повышенное преобразование энергии главным образом связано с более высоким коэффициентом усиления сигнала эллиптического резонатора, а не значительно более высоким Q. Очевидно, что тот же эффект наблюдается в конфигурации массива резонаторов в виде этажерочной структуры.
Эксперимент 7
Был выполнен седьмой эксперимент. В этом эксперименте конструкция резонаторного устройства была изменена, вследствие чего каждую из резонаторных полосок эллиптической формы и прямоугольных резонаторных полосок, вырезанных ножницами, использовали в конструкции этажерочного массива, аналогичной конструкции магнитоупругого маркерного устройства, показанной на фиг. 3А, но со смещением от катушки Гельмгольца в измерительной системе. В этом эксперименте в каждом устройстве использовали четыре резонаторных элемента. Эти эксперименты обеспечивают стабильность частоты эллиптического и прямоугольного резонаторных устройств в зависимости от поля смещения. Результаты показаны на фиг. 10А и 10В.
На фиг. 10А показано, что обе конструкции резонатора обладают существенной стабильностью по частоте по сравнению с полем смещения (причем эллиптический образец был более стабильным), причем производная по нулевой частоте точно соответствовала пиковому коэффициенту усиления для обоих резонаторов.
На фиг. 10В показано, что обе конструкции резонаторов продемонстрировали превосходную частотную чувствительность вблизи их пиковых коэффициентов усиления, но резонатор с эллиптической пластиной продемонстрировал в некоторой степени более широкий минимум, что указывает на более высокую стабильность с изменением смещения. В целом, использование самой конструкции резонаторов в виде этажерочной структуры также повышает стабильность частоты.
33
2
В общем, фактическая разница в коэффициентах усиления величиной 3-4 дБ (положительная для резонаторного материала эллиптической формы) является результатом следующего: (а) более однородного магнитного поля внутри материала; (b) влияния формы на преобразование энергии K; (с) немного большей ширины формы в середине резонаторной полоски, где. магнитострикция выше; и (d) улучшенного взаимодействия внешнего поля постоянного тока и поля переменного тока. Более важно, что результаты демонстрируют, что эллиптический резонатор, который вмещается в пространство аналогичного размера и совершает колебания на аналогичной частоте, создает более высокий коэффициент усиления и является более согласованным от образца к образцу.
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.