УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ВИХРЕТОКОВЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ МЕТАЛЛОИСКАТЕЛЬ
UNIVERSAL EDDY CURRENT PULSE METALS DETECTOR

1. Область техники
Изобретение относится к области технических средств обнаружения металлических объектов и может быть использовано в системах безопасности, при производстве продовольственных товаров, при проведении ремонтных и строительных работ, при археологических изысканиях. Чаще такие приборы называют металлоискателями.
2. Уровень техники
Существуют два основных типа вихретоковых металлоискателей в зависимости от применяемого возбуждающего поля: устройства с гармоническим или импульсным возбуждением.
Примером гармонических устройств является «Селективный металлодетектор с гармоническим возбуждением» [1]. Устройство содержит две передающих катушки, установленные в нижних углах зоны контроля, и две приемные катушки, включенные последовательно и градиентометрически для вычитания сигналов, наведенных однородной внешней помехой, и установленные в верхних углах зоны контроля. Выводы первой и второй приемных катушек соответственно через первый и второй предварительные усилители соединены с первым и вторым входами сумматора. Выход сумматора соединен с входами синхронных детекторов, выход каждого из которых соответственно через аналого-цифровой преобразователь соединен с первым и вторым входами процессора. Третий вход процессора соединен с клавиатурой, а первый выход процессора соединен с индикатором. Второй выход процессора соединен через преобразователь со входом усилителя мощности, первый и второй выходы которого соединены с выводами передающих катушек.
Помимо этого известен «Глубинный металлоискатель» [2]. В основе устройства лежит гармонический принцип возбуждения. Конструкция включает в себя генератор, приемник, основную излучающую и приемную магнитные антенны, компенсирующую излучающую магнитную антенну для создания зоны минимума первичного магнитного поля в месте расположения приемной магнитной антенны.
Общими недостатками гармонических устройств являются подверженность влиянию внешних помех, ограниченность получаемой информации об объекте, нечеткое различение магнитных и немагнитных металлов.
Известен ручной металлодетектор [3] с импульсным возбуждением для личного досмотра и контроля багажа, содержащий две пары приемных катушек, включенных встречно и расположенных по разные стороны от возбуждающей. В устройстве предусмотрена возможность изменения частоты и длительности возбуждающего импульса. К недостаткам такого устройства можно отнести небольшую чувствительность, невозможность различить магнитные и немагнитные металлы.
Существует гибридный металлодетектор [4], содержащий возбуждающую катушку с подключенным параллельно конденсатором и две пары встречно включенных измерительных катушек с отдельными каналами обработки сигналов для каждой пары катушек. По возбуждающей катушке циркулирует импульсный ток с пологим нарастающим участком протяженностью, достаточной для установления тока в объекте и участка спадания тока. Для предотвращения собственных колебаний контура возбуждения предусмотрено подключение шунтирующей цепи на первом участке импульса возбуждения. Металлоискатель снабжен индикатором наличия металла и звуковой сигнализацией.
К недостаткам данного устройства можно отнести следующие:
- Сложная настройка генератора возбуждающего тока с использованием высокодобротного колебательного контура, чувствительного к помехам (изменение температуры, импульсные наводки), что снижает надежность (стабильность) работы системы.
- Участок с быстрым спаданием возбуждающего сигнала формируется исключительно источником тока, управляемым напряжением, без использования каких-либо высокоскоростных размыкателей. Это приводит к увеличению длительности фронта сигнала, а следовательно, к снижению ЭДС, наведенной в проводящем объекте. Таким образом, дальность обнаружения уменьшается.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является металлодетектор с частотно-временным анализом [5], в котором используются одновременно сравнительно медленно нарастающее импульсное и гармоническое возбуждение. Гармонический сигнал встречно включенных измерительных катушек после усилителя и синхронного детектора поступает в блок управления, содержащий микропроцессор. Сигнал-отклик от импульсной составляющей возбуждающего поля анализируется в течение интервала времени, следующего после скачкообразного изменения тока в передающей катушке.
Недостатками данного металлодетектора являются:
- Снижающее надежность работы усложнение устройства генератором и схемой обработки гармонической составляющей, так как периодическое импульсное возбуждение имеет в своем составе компоненты с частотами, близкими к частоте этой составляющей.
- Наличие участка со скачкообразным убыванием возбуждающего тока приводит к появлению затухающих паразитных колебаний, что вынуждает вводить снижающую чувствительность задержку перед началом анализа сигнала-отклика от проводящего объекта.
- Структурная схема устройства не предусматривает возможности разделения магнитных и немагнитных металлов.
3. Раскрытие изобретения
3.1. Задача
Задачами предлагаемого технического решения являются:
- Возможность определения вида обнаруженного проводящего объекта: магнитный или немагнитный материал.
- Оценка расстояния до объекта.
- Определение толщины объекта.
3.2. Отличительные признаки
Поставленная задача решается тем, что в металлодетекторе с частотно-временным анализом:
- Оптимизируется форма возбуждающего сигнала путем исключения участка с резким изменением тока, а также гармонической составляющей.
- Используется разложение импульсных периодических сигналов измерительной катушки в ряд Фурье с целью определения свойств обнаруженного объекта.
- Величина периода возбуждающего тока выбирается из условия, чтобы низкочастотные гармоники сигнала-отклика зависели от магнитных свойств объекта, как приведено в [6] (с. 192-193, рис. 4.34).
Предлагаемое решение реализуется в портативном конструктивном исполнении, состоящем из основного блока и приемо-передающей антенны дисковой формы, оборудованной ручкой и присоединяемой гибким кабелем. Основной блок содержит в себе приемо-передающий тракт, управляющий микропроцессор, LCD дисплей с функцией touch-screen для визуальной индикации результатов и настройки прибора, аккумуляторные батареи. Также устройство комплектуется головными телефонами для звуковой индикации. Модульная структура предлагаемого решения позволяет с минимальными затратами изменять конструктивное исполнение в зависимости от назначения.
3.3. Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлена функциональная схема металлоискателя.
в
вт
На фиг. 2,а показана форма периодического импульсного тока i, циркулирующего в катушке возбуждения, на фиг. 2,б показана форма ЭДС е, возникающей в металлическом объекте при линейном изменении тока возбуждения, на фиг. 2,в представлена временная зависимость вихревых токов в объекте, на фиг. 2,г изображена форма сигнала на выходе двух встречно включенных измерительных катушек.
На фиг. 3 показаны годографы относительного вносимого напряжения измерительных катушек для объектов с различными значениями относительной магнитной проницаемости, приведенные из [6] (с. 193, рис. 4.34).
2
2
На фиг. 4, 5, 6, 7 изображены градуировочные характеристики, хранящиеся в памяти блока управления на основе одноплатного компьютера и используемые для получения значений параметров объекта. Характеристики получены путем моделирования процессов взаимодействия приемо-передающей системы металлоискателя с проводящим объектом в программной среде MathCAD. Расчет производился при следующих параметрах: передающая катушка диаметром 20 см, представляющая собой 40 витков сечением 0.5 мм, две приемные встречно включенные катушки диаметром 20 см по 20 витков сечением 0.15 мм, амплитуда возбуждающего тока 1 А, объекты контроля в виде листов из проводящего материала с заданными электромагнитными свойствами.
4. Осуществление изобретения
Металлоискатель работает следующим образом. На фиг. 1 блок управления 1 синхронизирует и управляет работой схемы, соединяясь со всеми блоками устройства. В основе данного блока лежит одноплатный компьютер с установленной операционной системой Linux. К формирователю периодического импульсного тока 2 подключена возбуждающая катушка 3 датчика прибора, который содержит также две измерительные катушки 4 и 5. Предусмотрено встречное включение катушек, но в случае необходимости увеличения чувствительности оператор может включить с помощью блока управления 1 и переключателя катушек 6 только одну из них, ближнюю к объекту. Алгоритм обработки сигнала в этих режимах одинаков.
в
вт
вт
в
1
2
1
2
1
2
46
50
15
ок
k
k
м
м
н
н
Периодический с периодом Т импульсный ток i, изображенный на фиг. 2,а, протекает через возбуждающую катушку и определяется формирователем тока 2. Период Т содержит участки линейного возрастания и убывания тока, во время которых за счет ЭДС е, показанной на фиг. 2,б, в объекте происходит накопление энергии вихревых токов, качественный вид которых можно увидеть на фиг. 2,в. В эти интервалы времени из-за помех цепи возбуждения схема обработки сигнала неактивна или отключена. В интервалы времени, когда ток возбуждения не меняется и уровень помех невелик, две встречно включенные измерительные катушки, или одна независимая катушка, через усилитель 7 подключаются к схеме обработки. Временная зависимость сигнала, наводимого спадающими вихревыми токами i, показанными на фиг. 2,в, изображена на фиг. 2,г. Для того чтобы выделять магнитные объекты общая величина периода Т для моделирования принята равной 400 мкс. Длительность участков изменения тока возбуждения i и его постоянного значения одинакова и равна 100 мкс у каждого участка. За этот промежуток времени успевают закончиться все электромагнитные переходные процессы, связанные с изменением вихревых токов от одного установившегося значения до другого. Это позволяет передать проводящему объекту максимальное количество энергии возбуждающего поля и тем самым повысить эффективность устройства. Периодические импульсные сигналы, полученные с измерительных катушек, после усилителя 7 поступают на аналого-цифровой преобразователь 8. Дальнейшая обработка сигналов осуществляется в цифровом виде в канале амплитудно-фазовой обработки, включающем блоки с 9 по 13, и в блоке амплитудно-временной обработки 14. Сигналы раскладываются в ряд Фурье в блоке 9. С помощью низкочастотного 10 и высокочастотного 11 фильтров выделяются соответствующие составляющие, которые затем поступают на синхронный детектор низкочастотных гармоник 12 и блок амплитудно-фазовой обработки высокочастотных гармоник 13. Выходное значение синхронного детектора низкочастотного канала 12 становится положительным, если объект магнитный, и отрицательным, если он немагнитный. Это видно на фиг. 3, где изображены векторы напряжений первых двух низкочастотных гармоник Г и Г для магнитного (Г  и Г ) и немагнитного (Г  и Г ) объектов. Проекции этих векторов на направление мнимой оси имеют разные знаки. На фиг. 3 показаны две высокочастотные гармоники, Г и Г, амплитуда которых близка к величине OA по мнимой оси, зависящей только от расстояния Z до объекта. Это верно для всех типов объектов. Зависимость величины OA от расстояния является градуировочной характеристикой и изображена на фиг. 4. Для обеспечения оптимальной чувствительности к расстоянию Z необходимо анализировать гармоники в интервале от 46 до 50. Также на фиг. 3 обозначена среднечастотная гармоника Г, фазовый угол которой определяется значением электропроводности σ немагнитного объекта, и эта зависимость является градуировочной характеристикой, изображенной на фиг. 5. Зависимость, изображенная на этом рисунке, построена для первой гармоники. Для того чтобы обеспечить оптимальную чувствительность к электропроводности σ необходимо выбирать гармонику в интервале от 10 до 20, поэтому на фиг. 5 отложена величина σ/k, где k - номер выбранной гармоники. Для получения электропроводности объекта σ величину П, полученную для измеренного фазового угла φ необходимо умножить на k. Информация, полученная в результате обработки, поступает в устройство памяти блока управления 1, где определенные с помощью хранящихся градуировочных характеристик параметры объекта отображаются на дисплее 15.
1
2
1
ок
ок
2
ок
ок
ок
макс
макс
1
2
1
2
Для повышения точности метода применяется альтернативный способ получения данных о расстоянии Z до объекта и его электропроводности σ для немагнитного материала. В блоке амплитудно-временного анализа 14 в измеренном сигнале (фиг. 2,г) анализируется амплитуда в два момента времени U(Δt) и U(Δt), где Δt принимает значения от 0.1 τ до 0.15 τ, a Δt находится в пределах от 0.2 τ до 0.3 τ. За постоянную времени объекта контроля τ принимается промежуток времени, за который напряжение, наведенное вихревыми токами, спадает от значения U до 0.1U, что изображено на фиг. 2,г. Амплитуда сигнала в каждый момент времени характеризует состояние процесса на разной глубине объекта, то есть по-разному зависит от расстояния Z до предмета и его электромагнитных свойств: σ - для немагнитного материала [6] (с. 205, рис. 4.40). На плоскости U(Δt) и U(Δt), изображенной на фиг. 6, различным состояниям немагнитного объекта соответствует область значений, которую можно рассматривать как градуировочную характеристику. Значения Z и σ при построении области на фиг. 6 берутся согласно величинам, полученным по фиг. 4 и 5. При попадании определяющей точки внутрь данной области расстояние Z до объекта и его электропроводность σ находятся путем интерполяции с учетом ближайших значений. Данная зависимость позволяет определить расстояние до немагнитного предмета Z и его электропроводность σ по текущим значениям U(Δt) и U(Δt). Расстояние Z до немагнитного объекта и его электропроводность σ, полученные с помощью характеристик на фиг. 4 и фиг. 5, позволяют использовать градуировочную характеристику на фиг. 6 для ограниченного диапазона величин, что повышает общую достоверность результатов обработки сигналов.
ок
ок
По постоянной времени τ объекта контроля (фиг. 2,г), можно судить о толщине b объекта [6] (с. 205, рис. 4.40). На фиг. 7 построены зависимости постоянной времени τ от толщины b немагнитного объекта для различных значений электропроводности σ, которые можно рассматривать как градуировочные характеристики. При расчете толщины b немагнитного объекта с помощью характеристик на фиг. 7 значения электропроводности σ задаются как результат обработки данных с использованием характеристик на фиг. 5 и фиг. 6.
Возможность определения расстояния до объекта, толщины, вида металла по его электромагнитным характеристикам является преимуществом данного устройства.
Еще одним достоинством данного металлоискателя является повышение чувствительности, особенно на больших расстояниях, за счет использования сигнала от одной измерительной катушки.
Использование в качестве блока управления одноплатного компьютера на основе высокопроизводительного микропроцессора фирмы Freescale МХ287 позволяет применять алгоритмы обработки сигналов по нескольким каналам в реальном масштабе времени.
Источники информации
1. Патент Российской Федерации RU2251125 С1, МПК G01V 3/10, 01.03.2004 г.
2. Патент Российской Федерации RU2271024 С2, МПК G01V 3/12, 06.04.2004 г.
3. Патент Российской Федерации RU2300788 С2, МПК G01V 3/11, 08.08.2005 г.
4. Патент Соединенных Штатов Америки US7701337 В2, 20.04.2010 г.
5. Патент Соединенных Штатов Америки US7078906 В2, 18.07.2006 г.
6. Неразрушающий контроль. В 5 кн. Кн. 3 Электромагнитный контроль: Практ. пособие / В.Г. Герасимов, А.Д. Покровский, В.В. Сухоруков; Под ред. В.В. Сухорукова. - М.: Высш. шк., 1992. - 312 с.