ДАТЧИК МЕТАЛЛОИСКАТЕЛЯ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
METAL DETECTOR SENSOR AND METHOD FOR ITS MANUFACTURE

Изобретение относится к области интроскопии, а именно обнаружения металлических объектов, скрытых в различных средах.
Изобретение может быть использовано для поиска металлических объектов в грунте, в археологии, кладоискательстве, спасательных операциях, военных задачах по разминированию, и поиска золотых самородков в отработке. В пищевой промышленности металлоискатель может применяться для обнаружения металлических объектов, попавших из оборудования в пищевой продукт. В строительстве возможно обнаружение медных или алюминиевых проводников с целью обхода при сверлении или для задач извлечения и восстановления целостности проводников. В дорожном строительстве с помощью металлоискателя можно обнаружить металлические объекты под дорожным покрытием с целью предупреждения поломки дорожной машины при попадании металла в рабочий инструмент. Также металлоискатель может применяться в медицине для поиска пули или осколков в теле человека, в прачечной отрасли для контроля текстильных изделий на предмет оставшихся в них острых металлических предметов, способных повредить механизм стиральной машины, и в геодезии для анализа минерального состава грунтов. Может применяться при экскавационных работах с целью раннего обнаружения залегающего силового или сигнального кабеля для предупреждения оператора о возможности повреждения кабелей рабочим инструментом.
Известно устройство для обнаружения скрытых металлических тел (патент на изобретение США №3662255, МПК G01V 3/10, опубл. 09.05.1972 г.), включающее две кольцевые катушки индуктивности разного диаметра, расположенные в общей плоскости, при этом каждая катушка индуктивности содержит коаксиальный кабель, имеющий внутренний проводник, внешний проводник из тканого проводящего материала, изоляционное средство между внутренним и внешним проводниками, и проводящий экран, расположенный в нижней части катушки, и корпус, охватывающий катушки и проводящий экран.
Недостатком данного устройства является использование двух катушек, отдельной оправки, изготовление корпуса датчика на основе и поверх измерительных катушек, что усложняет процесс и требует высокой квалификации сотрудников для изготовления датчика металлоискателя. Также стоит отметить выполнение катушки индуктивности из композитного коаксиального кабеля, имеющего высокую стоимость.
Известен метод изготовления и сборки датчика металлоискателя (патент на изобретение Великобритании №2205408, МПК G01V 3/11, B07C 5/344, опубл. 13.02.1991г.), предназначенного для обнаружения металлических фрагментов в пищевых продуктах и фармацевтических препаратах. Металлоискатель содержит прямоугольную раму из неметаллического материала, в которой имеется отверстие для прохождения материала, подвергающегося проверке, и намотку катушек электропроводящих нитей на раму. Пластмассовый материал в жидкой форме наносят на раму и катушки, за исключением части отверстия рамы, и дают затвердеть, затем наносят металл в жидкой форме на пластмассовый материал, чтобы заключить пластмассовый материал в металлический слой. Пластмассовый материал может быть распылен, впрыснут в форму или нанесен погружением и может быть вспенен или не вспенен. Металл может быть нанесен покраской, дуговым напылением, нанесением покрытия или вакуумным напылением.
Известны металлоискатель и метод изготовления металлоискателя (патенты на изобретение Великобритании №22232254, МПК G01V 3/11, опубл. 05.12.1990 г., №2267351, МПК G01V 3/10, H01F 7/20, опубл. 01.12.1993 г., и патент на изобретение США №4833773, МПК H01F 7/06, G01V 3/10, опубл. 30.05.1989 г.) для обнаружения металлических фрагментов в пищевых продуктах. Металлоискатель содержит прямоугольную раму из неметаллического материала, имеющую отверстие для прохождения материала через него, катушки электропроводящих нитей, намотанные на наружные поверхности рамы, первый пластмассовый слой, приклеенный к указанным поверхностям, причем катушки встроены в первый пластмассовый слой, слой металла, приклеенный к наружной поверхности первого пластмассового слоя, и второй пластмассовый слой, приклеенный к металлическому слою. Металл может быть нанесен покраской, дуговым напылением, нанесением покрытия или вакуумным напылением.
Другим известным аналогом является металлоискатель и метод и его изготовления (патент на изобретение США №US5066937, МПК H01F 15/04, H01F 27/28, опубл. 19.11.1991 г.). Металлоискатель содержит прямоугольную раму, имеющую отверстие для прохождения материала через него, электропроводящие нити, намотанные на раму, заливочный пластик, расположенный на внешних поверхностях рамы, на которую намотаны нити, и металлический корпус, охватывающий заливочный пластик, при этом рама содержит множество каркасных элементов, соединенных вместе для образования отверстия, каждый из элементов каркаса содержит первый и второй листы твердого пластика, электропроводящий материал между листами твердого пластика и клей по периферии указанных листов.
Недостатком приведенных решений является узконаправленность, а именно применение в технологических процессах с установкой металлоискателя на конвейерные ленты для регистрации в непроводящих материалах металлических включений. Рама с намотанной на нее катушкой индуктивности устанавливается в закрытый корпус, который закрывает катушку индуктивности со всех сторон, что влечет финансовые затраты на изготовление дополнительных конструкций корпуса датчика. Метод открытой намотки катушки индуктивности в три секции усложняет процесс изготовления и требует больших временных затрат на изготовление датчика металлоискателя.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в создании быстрого способа изготовления датчика металлоискателя без использования дорогостоящего оборудования и материалов.
Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, заключается в обеспечении простого способа изготовления датчика металлоискателя, обладающего свойствами герметичности и ударостойкости.
Технический результат достигается тем, что датчик металлоискателя содержит катушку индуктивности замкнутого контура в корпусе, при этом корпус дополнительно содержит электронную плату аналогового генератора преобразователя, и выполнен в виде кольцевой трубы, состоящей последовательно из внутреннего полимерного слоя, алюминиевого слоя и внешнего полимерного покрытия, внутренний полимерный слой и внешнее полимерное покрытие скреплены с алюминиевым слоем клеевым соединением, а внутреннее пространство кольцевой трубы залито жидким полимером.
Способ изготовления датчика металлоискателя включает: изготовление кольцевой трубы методом композитной экструзии, включающей внутренний полимерный слой, алюминиевый слой и внешнее полимерное покрытие, скрепленные между собой клеем; навивку эмалированного медного провода внутрь кольцевой трубы с помощью станка для навивки медного провода; зачистку одного конца кольцевой трубы до алюминиевого слоя и закрепление на нем медного провода в изоляции прижимным соединением, пайку электронной платы аналогового генератора преобразователя, имеющей выходной сигнальный кабель, к выводам навитой катушки индуктивности и медному проводу, и установку электронной платы внутрь кольцевой трубы поверх навивки эмалированного медного провода; и заливку жидкого полимера в свободные полости кольцевой трубы с использованием силиконовых форм с литником и отверждение жидкого полимера для фиксации выводного сигнального кабеля и элементов навивки катушки индуктивности.
Краткое описание изобретения
Датчик металлоискателя представляет собой металлопластиковую трубу в виде разомкнутого кольца, состоящую из нескольких слоев: внешнего полимерного покрытия, клеевого слоя, алюминиевого слоя, клеевого слоя и внутреннего полимерного слоя.
Станок для навивки эмалированного медного провода в кольцевую трубу содержит платформу, обхватывающие клипсы, закрепленные на платформе, шпиндель электрического двигателя, прилегающий к платформе, первый резиновый валец, приводимый во вращение шпинделем электрического двигателя, второй резиновый валец на ступичном креплении в подшипнике качения, принимающий вращательное движение от первого вальца. Второй резиновый валец выполнен с возможностью прижатия к первому резиновому вальцу в момент навивки медного провода и разведения вальцов друг от друга в момент извлечения полностью навитой катушки индуктивности с помощью механизма прижима.
Способ изготовления датчика металлоискателя включает:
- изготовление методом композитной экструзии кольцевой трубы, включающей внутренний полимерный слой, клеевой слой, алюминиевый слой, клеевой слой и внешнее полимерное покрытие;
- навивку эмалированного медного провода внутрь кольцевой трубы с помощью станка для навивки медного провода;
- зачистку одного конца кольцевой трубы до алюминиевого слоя и закрепление на нем медного провода в изоляции прижимным соединением, пайку электронной платы аналогового генератора преобразователя, имеющей выходной сигнальный кабель, к выводам навитой катушки индуктивности и медному проводу, и установку электронной платы внутрь кольцевой трубы поверх навивки медного эмалированного провода;
- заливку свободной полости кольцевой трубы жидким полимером с помощью силиконовых форм с литником для фиксации выводного сигнального кабеля и элементов навивки катушки индуктивности.
Подробное описание изобретения
Далее изобретение поясняется следующими чертежами:
Фиг. 1. Общий вид датчика металлоискателя;
Фиг. 2. Общий вид кольцевой трубы, состоящей из внутреннего полимерного слоя, клеевого слоя, алюминиевого слоя, клеевого слоя и внешнего полимерного покрытия;
Фиг. 3. Общий вид кольцевой трубы, установленной на платформу станка для навивки эмалированного медного провода;
Фиг. 4. Общий вид кольцевой трубы с установленной электронной платой;
Фиг. 5. Общий вид кольцевой трубы и силиконовых форм с литником для заливки полости трубы.
Датчик металлоискателя представляет собой изогнутую в виде разомкнутого кольца кольцевую трубу 1. Зазор между концами кольцевой трубы 1 обеспечивает беспрепятственную навивку медного эмалированного провода 2 внутрь трубы 1. Кольцевая труба 1 изготавливается методом композитной экструзии и состоит из нескольких слоев:
Внутренний полимерный слой 3, обеспечивающий минимальный зазор между витками эмалированного медного провода 2 катушки индуктивности внутри трубы и алюминиевым слоем;
Алюминиевый слой 4;
Внешнее полимерное покрытие 5, защищающее внутренний алюминиевый слой 4 от механических повреждений;
Клеевые слои 6 между внутренним полимерным слоем 3 и алюминиевым слоем 4 и между внешним полимерным покрытием 5 и алюминиевым слоем 4.
В качестве полимерного слоя и покрытия используют полиэтилен, полипропилен, полистирол, поликарбонат или другие диэлектрические полимеры, имеющие достаточную пластичность.
Внутренний полимерный слой 3 устраняет явление паразитной электрической емкости между витками провода катушки индуктивности и алюминиевым слоем 4. Чем толще внутренний полимерный слой 3, тем меньше диаметр внутренней полости и тем меньше электрическая емкость между проводом витков катушки индуктивности и алюминиевым слоем 4. Чем меньше паразитная электрическая емкость, тем меньше ложных срабатываний и шумов будет воспроизводить датчик металлоискателя.
Алюминиевый слой 4 служит в качестве электромагнитного экрана, обеспечивая защиту витков катушки индуктивности от возникновения паразитной электрической ёмкости при приближении катушки к грунту или непроводящим минеральным объектам, телу человека или животных, или биологическим объектам. Алюминиевый слой 4 также обеспечивает защиту от паразитного влияния статического заряда, возникающего на поверхности датчика при перемещении в сухой траве или сухом пыльном воздухе.
Внешнее полимерное покрытие 5 трубы защищает алюминиевый слой 4 от механических повреждений, предотвращая ухудшение характеристик чувствительности датчика, связанных с повреждением или отсутствием алюминиевого слоя.
Клеевой слой 6 обеспечивает равномерную адгезию и прочное крепление слоев.
Кольцевая труба 1 заправляется заданным количеством витков медного эмалированного провода 2 заданного диаметра, что формирует катушку индуктивности с заданными параметрами. Диаметр трубы 1 зависит от количества витков катушки индуктивности и диаметра медного эмалированного провода, которым наматывается катушка. Диаметр разомкнутого кольца подбирается исходя из параметров чувствительности датчика металлоискателя к крупным или мелким объектам, на поверхности или на большой глубине.
Станок для навивки эмалированного медного провода содержит платформу 7, пластиковые обхватывающие клипсы (не показаны на чертеже), закрепленные на платформе, для фиксации кольцевой трубы 1, шпиндель электрического двигателя 8, прилегающий к платформе 7, первый резиновый валец 9, приводимый во вращение шпинделем электрического двигателя 8, второй резиновый валец 10 на ступичном креплении 11 в подшипнике качения, принимающий вращательное движение от первого вальца 9. Второй резиновый валец 10 выполнен с возможностью прижатия к первому резиновому вальцу 9 в момент навивки медного провода 2 и с возможностью разведения вальцов друг от друга в момент извлечения полностью навитой катушки индуктивности с помощью механизма прижима (не показан на чертеже).
Механизмом прижима может служить любое устройство, создающее прижимную силу, например, подтягивающая пружина, подтягивающий резиновый жгут, прижимной сервопривод и т.д. Механизм прижима позволяет извлекать навитую катушку индуктивности без повреждения поверхности вальцов и структуры навивки.
Оба вальца 9, 10 выполнены из полутвердой резины, имеющей хорошее поверхностное сцепление. От диаметра вальца станка для навивки медного провода зависит длина зазора между концами кольцевой трубы 1. Длина зазора в 1,5 раза превышает диаметр вальца 9.
Фиксация металлопластиковой кольцевой трубы 1 к платформе 7 обеспечивает удобство и точность выполнения навивки, а также автоматизацию намотки эмалированного медного провода 2 внутрь трубы 1.
Способ изготовления датчика металлоискателя осуществляется следующим образом.
Методом композитной экструзии изготавливается кольцевая труба 1.
На платформу 7 станка для навивки медного провода устанавливается кольцевая труба 1 и закрепляется пластиковыми обхватывающими клипсами, закрепленными на платформе 7. Затем внутрь трубы 1 вручную пропускается первый виток эмалированного медного провода 2 и помещается между вальцами 9, 10 и зажимается прижатием вальца 10 к вальцу 9 с помощью механизма прижима. Подача эмалированного медного провода 2 осуществляется непосредственно с бобины (не представлена на чертеже). Далее включается двигатель, шпиндель 8 которого приводит во вращение валец 9. Вальцы 9 и 10, зажимая медный провод 2 и вращаясь, осуществляют навивку медного провода 2 внутрь кольцевой трубы 1.
После намотки необходимого количества витков эмалированного медного провода 2 внутрь кольцевой трубы 1, вальцы 9 и 10 раздвигаются с помощью механизма прижима и готовая катушка индуктивности извлекается.
К открытому участку 12 металлопластиковой кольцевой трубы 1 подпаивается или крепится прижимным соединением 13 медный провод 14 в изоляции. Прижимным соединением 13 может быть винт или заклепка. Медный провод 14 имеет достаточную длину для пайки к минусу электронной схемы управления датчиком.
Выводы медного эмалированного провода 2, навитого внутрь кольцевой трубы 1 зачищаются и лудятся. К выводам навитой катушки индуктивности и медному проводу 14, соединенному с алюминиевым слоем 4 кольцевой трубы 1, подпаивается электронная плата аналогового генератора преобразователя 15, имеющая выходной сигнальный кабель 16.
После того, как выводы катушки припаяны к электронной плате аналогового преобразователя 15, плата 15 устанавливается внутрь металлопластиковой кольцевой трубы 1 поверх навивки медного эмалированного провода 2. Визуально проверяется качество пайки или соединения медного изолированного провода 2 с алюминиевым слоем 4 кольцевой трубы 1. Сигнальный кабель 16 свободно выходит из кольцевой трубы 1, куда установлена электронная плата аналогового генератора преобразователя 15.
С помощью силиконовых форм 17, 18 осуществляется фиксация выводного сигнального кабеля 16 и элементов навивки катушки индуктивности. Фиксация производится путем заливки внутренних свободных полостей изготовленного датчика металлоискателя и внутренних элементов катушки индуктивности для предотвращения возникновения паразитных помех в работе электронной схемы, связанных с перемещением внутренних компонентов датчика металлоискателя относительно друг друга. Заливка производится через литник 19, установленный в закрепленной составной силиконовой форме. Заливка осуществляется жидкими полимеризующими смолами или полиуретанами с заданным периодом затвердевания.
Перед установкой на датчик силиконовые формы 17, 18 покрываются изнутри разделительным материалом (солидол, жидкий силикон и т.д.), что обеспечивает лучшее отделение формы от застывшего полимера.
После затвердевания залитого полимера в свободные полости датчика, фиксируются в пространстве витки навитой катушки индуктивности, электронная плата аналогового генератора преобразователя 15, вывод сигнального кабеля 16. Заливка жидким полимером обеспечивает герметичность и ударостойкость устройства.
Силиконовые формы 17, 18 после затвердевания полимера легко удаляются, так как имеют слабую адгезию к заливочному материалу.
Преимущества заявляемого изобретения:
- простая реализация без применения дорогостоящего оборудования и материалов при изготовлении датчиков металлоискателей;
- отсутствие требования высокой квалификации рабочих;
- возможность производства как штучных изделий, так и крупных партий датчиков металлоискателей;
- герметичность, позволяющая использовать датчик в различных производственных процессах с повышенной влажностью и агрессивными средами;
- повышенная стойкость к механическим ударам и истиранию.