МЕТАЛЛООБНАРУЖИТЕЛЬ МНОГОЗОННЫЙ
MULTI-ZONE METAL DETECTOR

Изобретение относится к устройствам обнаружения объектов из металла, перемещаемых  через контрольное пространство.
Известен металлообнаружитель выполненный в виде двух вертикальных стоек, внутри которых установлены две намагничивающие катушки и две приемные катушки, причем намагничивающие катушки соединены между собой последовательно и подключены к генератору, а две приемные катушки, соединены между собой последовательно и подключены к усилителю, выход которого подключен к первому входу синхронного детектора, выход которого соединен с входом анализатора, выход которого соединен со входом блока индикации, устройство управления, первый выход которого соединен с входом генератора, а второй выход соединен со вторым входом синхронного детектора, дополнительно намагничивающие катушка установлены ортогонально в центре одной из стоек, при этом одна из намагничивающих катушек установлена вертикально, а вторая горизонтально перпендикулярно плоскости зоны контроля и приемные катушки установлены симметрично горизонтально и встречно в другой стойке, причем расстояние между приемными катушками выбирается в зависимости от ширины зоны контроля (патент RU 49287,2005).
Известное устройство имеет небольшую материалоемкость и энергоемкость, но не является многозонным, т.е. обладает недостаточной эффективностью в эксплуатации.
Известна система обнаружения металла («Metal detection system»), содержащая: генератор, катушку генерации поля, соединенную и возбуждаемую генератором, для генерирования электромагнитного поля равномерной плотности, которое нарушается при наличии в нем металлических предметов, множество первых приемных катушек, установленных вертикально на одной стороне прохода, множество вторых приемных катушек, установленных вертикально на другой стороне прохода, каждая из приемных катушек соединена с отдельной цепью детектора, каждый детектор включает средство для обнаружения нарушения электромагнитного поля, принимаемого соответствующей приемной катушкой, и выдачи сигнала обнаружения; обработка выходных сигналов обнаружения от цепей детектора для генерации сигнала положения, указывающего приближенное горизонтальное и вертикальное расположение каждого отдельного объекта из металла и сигнала о массе объекта; средство для сравнения каждого сигнала с пороговым значением и средство для вывода индикации тревоги (патент US 5680103, 1997).
Наиболее близким к предлагаемому является металлообнаружитель многозонный, содержащий передающие катушки, у установленные вертикально на одной стороне прохода, приемные катушки, установленные вертикально на другой стороне прохода, блок индикации, блок управления, соединенный с передающими и приемными катушками и генерирующий сигнал о наличии и местоположении объектов из металла в контрольном пространстве на блок индикации, при этом блок управления определяет местоположение объекта из металла путем последовательного включения каждой из передающих катушек для генерации электромагнитного поля в части контрольного пространства, одновременной при этом обработки сигнала каждой приемной катушки, включающей определение наличия объекта из металла в каждой зоне обнаружения между передающей и каждой приемной катушкой, вычисления местоположения объектов из металла в контрольном пространстве на основе данных о наличии объектов из металла в каждой зоне обнаружения, принятый за прототип (патент RU 2643672,2018).
Общим недостатком известных ранее многозонных металлообнаружителей является высокая материалоемкость и энергоемкость, что сокращает возможности их эффективного  использования. Кроме того, известными конструкциями не обеспечивается  быстродействие металлобнаружителей, что снижает эффективность их эксплуатации.
Техническая задача заключается в увеличении эффективности многозонных металлообнаружителей.
Технический результат- уменьшение материалоемкости и энергоемкости при одновременном увеличении быстродействия многозонных металлообнаружителей.
Поставленная техническая задача решается тем, что заявляется металлообнаружитель многозонный, содержащий передающие катушки, установленные вертикально на одной стороне прохода, приемные катушки, установленные вертикально на другой стороне прохода, блок управления и индикации, соединенный с передающими и приемными катушками и генерирующий сигнал о наличии и местоположении объектов из металла в контрольном пространстве на блок индикации, при этом передающие катушки размещены в каждой из шести зон контрольного пространства и соединены между собой последовательно и попарно, образуя три группы пар передающих катушек, каждая пара передающих катушек обеспечивает генерацию сигнала в трех разных зонах, а приемные катушки соединены друг с другом последовательно в две группы приемных катушек, образующих две области приема сигналов, причем каждая область приема сигналов охватывает три смежные зоны контрольного пространства, каждая группа приемных катушек подключена к соответствующему коммутатору и образует собственный канал передачи сигнала, каждый из которых подключен к блоку управления и  индикации, а генератор соединен с передающими катушками с возможностью последовательного включения с заданной частотой каждой группы передающих катушек для генерации сигнала в части контрольного пространства.
В качестве катушек предпочтительно используются плоские катушки круглой, треугольной и квадратной форм. Во всех случаях толщина катушек меньше диаметра (периметра). Это позволяет обеспечить дополнительный технический результат, связанный с упрощением автоматизации, упрощением производства и уменьшением габаритов устройства. Соединение приемных и передающих катушек, находящихся в одной зоне обнаружения, выполнено  в  противофазе, что позволяет повысить защищенность передающих и приемных сигналов от внешних помех.
Сравнение заявляемого устройства с прототипом позволяет сделать вывод о соответствии критерию новизна, т.к. содержит следующие отличительные признаки:
передающие катушки размещены в каждой из шести зон контрольного пространства;
- передающие катушки соединены между собой последовательно и попарно, образуя три группы пар передающих катушек;
- каждая пара передающих катушек обеспечивает генерацию сигнала в трех разных зонах;
- приемные катушки соединены друг с другом последовательно в две группы приемных катушек, образующих две области приема сигналов;
- каждая область приема сигналов охватывает три смежные зоны контрольного пространства;
- каждая группа приемных катушек подключена к соответствующему коммутатору и образует собственный канал передачи сигнала;
- каждый коммутатор приемных катушек подключен к блоку управления и индикации;
-генератор соединен с передающими катушками с возможностью последовательного включения с заданной частотой каждой группы передающих катушек для генерации сигнала в части контрольного пространства.
Отличительные признаки в совокупности с признаками, общими с  прототипом, обеспечивают осуществление заявляемого устройства по заявленному назначению с достижением заявленного технического результата- уменьшение материалоемкости и энергоемкости при одновременном увеличении быстродействия многозонных металлообнаружителей, который является новым и неочевидным для специалиста в данной области техники. За счет предлагаемой схемы подключения катушек и их размещения в зонах контрольного пространства обеспечивается возможность использования только одного генератора и меньшей мощности, чем, например, по прототипу. Этот результат достигается за счет того, что в предлагаемом металлообнаружителе  для обработки сигналов с приёмных катушек достаточно двух каналов вместо шести, потому что образованы две области приема сигналов и каналы  обрабатываются последовательно, т.е.  на обработку сигналов тратится 1/3 времени по отношению к тому варианту, если бы все шесть каналов обрабатывались постоянно. Также за счёт того что пары передающих катушек разнесены по зонам, есть возможность их работы на одной частоте, что позволяет использовать один  генератор. Кроме того, за счет того, что в один момент времени работает только две из шести приемных катушек, есть возможность использовать генератор меньшей мощности.
Заявляемое устройство поясняется следующими рисунками.
На фиг. 1 показана общая схема заявляемого металлообнаружителя
На фиг. 2 показаны примеры соединения катушек
На фиг. 3 показано включение катушек в паре.
На представленных рисунках использованы следующие обозначения:
1 и 2 – коммутаторы приемных катушек
3- коммутатор передающих катушек
4- генератор
5 и 6- аналоговый цифровой преобразователь (АЦП)
7 и 8- полосовые фильтры
9 и 10 - синхронные детекторы
11 и 12 – фильтры высокой частоты (ФНЧ)
13 и 14 – фильтры высокой частоты (ФВЧ)
15 и 16 – пороговые устройства
17- управляющий контроллер
18- дисплей
19- органы управления (клавиатура или пульт дистанционного управления)
20 и 21 – схемы предварительной фильтрации
22,23 и 24- предварительные усилители одной группы приемных катушек
25,26 и 27- предварительные усилители другой группы приемных катушек
28 – блок управления и индикации
29 - устройство звукового оповещения.
Заявляемое устройство состоит из передающих катушек, расположенных в шести зонах контрольного пространства, соединены между собой последовательно и попарно первая катушка-четвертая катушка (первая пара), вторая катушка- пятая катушка (вторая пара), третья катушка- шестая катушка (третья пара), установленные вертикально на одной стороне прохода (не показан). Каждая пара передающих катушек обеспечивает генерацию сигнала в трех разных зонах, соответственно в первой и четвертой зонах контрольного пространства (первая пара катушек), второй и пятой зонах контрольного пространства (вторая пара) и третьей и шестой зонах контрольного пространства (третья пара). Приемные катушки в количестве шесть штук (по одной в каждой зоне контрольного пространства), которые установлены вертикально на другой стороне прохода (не показан), при этом приемные катушки соединены друг с другом последовательно в две группы приемных катушек, соответственно первая, вторая и третья приемные катушки образуют первую область приема, а четвертая, пятая и шестая приемные катушки образуют вторую область приема сигнала, поступающего с  соответствующей катушки первой, второй или третьей пары передающих катушек. Каждая область приема охватывает три смежные зоны контрольного пространства. Каждая группа приемных катушек через предварительные усилители 22- 27 соединены с соответствующими коммутаторами приемных катушек 1 и 2, которые обеспечивают параллельные каналы передачи сигнала на блок управления и индикации 28 через соответствующие схемы предварительной фильтрации 20 и 21  и АЦП 5 и 6. Коммутаторы приемных катушек 1 и 2 соединены друг с другом и коммутатором передающих катушек 3 через управляющий контроллер 17. Блок управления и индикации содержит последовательно подключенные для каждого канала цепи детектирования (которые могут быть выполнена как на микроконтроллере так и на ПЛИС), которые включают полосовые фильтры 7 и 8,  синхронные детекторы 9 и 10, ФНЧ 11 и 12, ФВЧ 13 и 14, пороговые устройства 15 и 16, которые соединены друг с другом и управляющим контроллером 17, последний подсоединен к генератору 4, снабжен дисплеем 18 для отображения настроек и визуального отображения тех зон, где обнаружен металлический предмет. Управляющий контроллер 17 подключен к органам управления 19 и устройству звукового оповещения 29. Генератор 4 соединен с передающими катушками через коммутатор передающих катушек 3 с возможностью последовательного включения с заданной частотой каждой группы передающих катушек для генерации сигнала в части контрольного пространства. Частота переключения выбирается исходя из максимальной скорости прохода, так, чтобы металлический предмет, перемещающийся через соответствующую зону контрольного пространства,  находился в ней хотя бы один полный цикл работы коммутатора 3.
В качестве передающих и приемных катушек используются плоские катушки толщина которых меньше ее диаметра.  Использование  круглых катушек  (Фиг.2, А) предпочтительно  для   массового производства из-за  простоты автоматизации производства. Использование треугольных катушек  (Фиг.2 Б) предпочтительно для   мелкосерийного производства, т.к. его легко выполнить вручную на кондукторе.  Использование квадратных катушек  (Фиг.2 В) предпочтительно для    производства панелей металлодетекторов с уменьшенными габаритами панелей, т.к. при такой форме катушки максимально используется площадь панели. А,Б и В на Фиг.2 показаны примеры исполнения передающих и приемных катушек. Катушки, показанные на Фиг.2, подключаются в паре по схеме, представленной на Фиг.3. Встречное (дифференциальное) включение приемных и передающих катушек выполнено для того чтобы вычесть внешние электромагнитные помехи. Соединение катушек в противофазе позволяет повысить защищенность передающих и приемных сигналов от внешних помех.
Заявляемый металлообнаружитель работает следующим образом.
Местоположение объекта из металла определяют путем размещения объекта исследования в контрольное пространство между вертикальными сторонами прохода. Блок управления и индикации 28 включает попарно передающие и приёмные катушки при помощи соответствующих коммутаторов 1,2 и 3, при этом сигнал с генератора 4 подаётся последовательно на соответствующие  пары передающих катушек (первую, вторую или третью пары) с заданной частотой. В первую треть времени сканирования зоны контрольного пространства, включена первая пара передающих катушек (первая и четвертая катушки), во вторую очередь соответственно вторая пара передающих катушек (вторая и пятая), в очередь третья пара передающих катушек (третья и шестая катушки), каждая катушка в паре размещена в соответствующей собственной зоне контрольного пространства. Включенные передающие катушки генерирует электромагнитное поле в части контрольной зоны металлообнаружителя. Наведенный электродвижущей силой (ЭДС) сигнал в приемных катушках, сгруппированных по три смежные зоны с образованием двух областей приема, поступает на входы коммутаторов приёмных катушек 1 и 2 через предварительные усилители 22-27. С коммутаторов приёмных катушек 1 и 2 сигнал поступает на блок предварительной фильтрации 20 и 21, где  складывается в сумматоре с сигналом компенсации, сформированным ЦАП из опорного сигнала, и поступает на АЦП 5 и 6, данные с которого в цифровом виде поступают в блок управления и индикации (который может быть выполнен как на микроконтроллере так и на ПЛИС). В процессе обработки сигналы фильтруются полосовыми фильтрами 7 и 8, настроенным на рабочую частоту, для отсекания помех на частотах выше и ниже рабочей,   затем поступает на соответствующие синхронные детекторы 9 и 10, управляющие сигналы которых имеют сдвиг по фазе 90 градусов что позволяет выделить как амплитуду, так фазу сигнала, что позволяет исключить взаимную маскировку металлических предметов с разными магнитными свойствами. Далее эти сигналы проходят через ФНЧ 11 и 12, где усредняются что позволяет исключить импульсные помехи, частота которых выше чем максимальная возможная частота от проноса металлического предмета, затем сигналы проходят через ФВЧ 13 и 14, который отсекает постоянный уровень сигнала, после чего обработанные сигналы поступают на пороговые устройства 15 и 16, которыми задаётся уровень чувствительности. Если сигналы превышают заданный уровень, то устройством звукового оповещения 29 выдаётся сигнал тревоги, а на дисплее 18  включается индикатор той зоны контрольного пространства, которая работала в данный момент времени. Коммутатор 3 подключает на выход генератора 4 последовательно соответствующие пары передающих катушек (сначала первую  и четвертую катушки, потом вторую и пятую катушки, а затем третью и шестую катушки), синхронно с коммутаторами 1 и 2.
Таким образом, в результате осуществления изобретения, определяют наличие металлического объекта в зоне обнаружения за счет сканирования путем последовательного включения каждой из передающих катушек для генерации электромагнитного поля в разных зонах обнаружения части контрольного пространства, одновременно обрабатывают сигнал с пары приемных катушек, принимающих сигнал с передающих катушек и относящихся к той же зоне обнаружения, определяют наличия объекта из металла в зоне обнаружения между парой передающих и приемных катушек, вычисляют местоположение объектов из металла в контрольном пространстве на основе данных о наличии объектов из металла в каждой зоне обнаружения.
Использование заявляемого устройства позволяет в один момент времени обрабатывать сигнал только с двух зон обнаружения, что повышает быстродействие устройства и уменьшает его  материалоёмкость.