Селективный импульсный вихретоковый металлоискатель
SELECTIVE IMPULSE EDDY CURRENT METAL DETECTOR

Селективный импульсный вихретоковый металлоискатель
Данное изобретение относится к области электротехники, предназначено для поиска и обнаружения любых скрытых металлических объектов в непроводящих и слабопроводящих средах. Техническим результатом являются возможность точного определения типа металла, простота сборки прибора и катушки к нему, низкое относительно других импульсных металлоискателей потребление электроэнергии, более стабильная работа при электромагнитных помехах, высокая проницаемость исходящего от катушки сигнала. Указанный результат достигается за счет того что металлоискатель содержит: катушку индуктивности, токоограничивающие резисторы, ограничитель напряжения, компаратор в роли инвертирующего усилителя сигнала, настраиваемый фильтр сигнала на базе компаратора, ключ на базе полевого транзистора который управляется другим маломощным биполярным транзистором, вычислительный микроконтроллер, клавиатура, графический дисплей, звуковая индикация, световая индикация, стабилизатор напряжения для питания прибора.
Принцип работы
Принцип работы данного металлоискателя заключается в том, что на навивку медного провода, входящего в состав катушки, подаются короткие импульсы электрического тока, при прерывании которых в навивке возникает ЭДС самоиндукции. ЭДС самоиндукции навивки образует электромагнитное поле вокруг себя, если в это поле попадают металлические объекты, то в них также образуются вихревые токи, которые в свою очередь, образуя собственное электромагнитное поле, помогают какое-то время поддерживать электромагнитное поле навивки. От этого спад напряжения после прекращения импульса на навивке растягивается по времени. При коротком затухании импульса металл отсутствует, при длинном затухании импульса есть металл в зоне чувствительности датчика. Задача прибора измерить длину импульса в первом и втором случае и выдать сигнал об обнаружении металла. Данное изобретение отличает от всех остальных импульсных металлоискателей возможность селективности обнаружения металла, а также возможность более точного вычисления сигнала от металлической цели с помощью микроконтроллера. Селективность достигается за счет измерения остаточного импульса на навивке от двух поочередно подаваемых типов сигналов. Эти сигналы одинаковые по частоте имеют разную скважность: обедненный сигнал скважностью 1-15% и насыщенный сигнал скважностью 20-40%. При измерении разности между изменениями длительностей остаточных импульсов сигналов с разной скважностью(ΔT1-обедненный сигнал, ΔT2-насыщенный сигнал) мы получим значение, которое будет характеризовать индуктивность и проводимость металлического объекта как разницу в возможности поддержания ЭДС при насыщенном и обедненном сигнале от катушки (S1= ΔT2- ΔT1). А среднее изменение длительности остаточных импульсов мы можем посчитать как S2= (ΔT2+ ΔT1)/2. Постоянное значение D, характеризующее индуктивность и проводимость отдельного металла, можно посчитать как отношение S2 и S1, D=(S2 / S1) * 100%. В пример можно представить числа для некоторых металлов, полученные по приведенной ниже электрической схеме: для железа 70ед., для цинка 87ед., для латуни 96ед. Преимущества данного метода заключается в более стабильной работе на минерализованном грунте, так как за счет низкочастотных мощных импульсов датчика высока электромагнитная проницаемость и как следствие больше глубина обнаружения металлических объектов. Функция селективности позволяет настроить прибор на поиск только определенного типа металла, можно узнать из какого металла состоит объект, можно находить различные дефекты и примеси в металлических материалах и др. Датчик такого прибора менее чувствителен к ударам и температурным изменениям. Отраслевое предназначение для данного металлоискателя может быть самое разнообразное:
1) В медицинских учреждениях, для поиска инородных металлических объектов в теле пациентов;
2) В качестве досмотрового прибора, на таможне, постах охраны;
3) В археологии, для поиска обогащенных рудами горных пород;
4) Для коммунальных служб, для поиска аварийных трубопроводов, электрических кабелей, фундаментных плит и т.д.;
5) В пищевой промышленности, для поиска мелких металлических предметов в продукции;
6) В кладоискательстве;
7) В поиске взрывных устройств;
8) В промышленности, для автоматического отключения сельскохозяйственной техники при попадании в дробилку металлического предмета, для определения расстояния до металлического объекта, для проверки состава производимых сплавов и профилей на конвейере и т.д.
Сравнение с аналогами
Из близких по смыслу к данному изобретению можно выделить следующие патенты:
Патент US20050104595(США), 09.08.2005, «Цифровой индуктивный металлоискатель с нулевым импульсом.» В патенте представлена схема металлоискателя с одной навивкой в качестве датчика, параллельно которой подключен резистор. Также присутствует ограничитель напряжения перед подачей полезного сигнала на компаратор. Но при этом данная конструкция не имеет возможности определять тип металла, имеет высокую сложность и дороговизну сборки, т.к. имеет в составе цифро-аналоговый преобразователь, запоминающее устройство(контроллер), аналого-цифровой преобразователь. Также вызывает вопросы устойчивость работы данного устройства, так как на схеме один каскад компаратора и нет фильтрующих элементов для сигнала. Представленное в патенте устройство не имеет органов индикации и настройки, в то время как представляемое изобретение позволяет настроить параметры поиска и анализировать сигнал визуально с ЖК экрана. Также представляемое изобретение имеет возможность работать от широкого диапазона входящего напряжения: 5-16В.
Патент KP1015369510000(Корея), 22.07.2015, «Импульсный индукционный металлоискатель и метод его калибровки.» В данном патенте описан прибор который имеет в составе блок управления для формирования управляющего напряжения, имеющий уровень и постоянную времени идентичные уровню и постоянной времени напряжения сигнала приема. То есть определение наличия металла происходит за счет усиления смещения сигналов управляющего относительно принимаемого. В случае отсутствия металла сигналы равны между собой и прибор показывает, что металл не обнаружен. Данный металлоискатель также не имеет возможности определять отдельный тип металла, а также имеет проблемы с температурным смещением сигнала. В то время как подаваемое изобретение за счет микроконтроллера при медленном уходе сигнала имеет возможность его обнулить в динамическом режиме, тем самым компенсировав температурные смещения. Также подаваемое изобретение имеет микроконтроллерное управление сигналом подаваемым на катушку, что дает большую точность и меньше помех.
Из уровня техники, металлоискатель «ШАНС»
(https://radioskot.ru/publ/metallopoisk/metalloiskatel_shans/16-1-0-131)
Данный металлоискатель является импульсным и имеет дискриминацию, но имеет ряд отличий от патентуемого изобретение, подача импульсов на катушку осуществляется двумя транзисторными ключами что дополнительно усложняет схему. Усиление всего входящего сигнала происходит через один каскад компаратора, измерение приходящего полезного сигнала происходит уже в цифровом аналого-цифровом 12-битном преобразователе, что может давать погрешность из-за электро-магнитных наводок. Также аналого-цифровой преобразователь имеет ограничение по числу измерений в секунду, поэтому для стабильного результата измерений надо производить несколько, что снижает скорость работы. В целом схема более сложна в настройке, более требовательна к стабилизированному питанию. Также к недостаткам данной конструкции можно отнести малую точность в разделении сигнала, определения состава, прочностных и объемных характеристик.
Краткое описание чертежей
Фигура 1 представляет из себя диаграмму, которая отображает основные функциональные узлы металлоискателя.
На токоограничивающий резистор (2), соединенный с навивкой, постоянно подается питание положительной полярности. При подаче сигнала с микроконтроллера (12) на затвор полевого ключа (4), ключ открывается, соединяя на время импульса второй конец навивки с землей. При этом сигнал, снимаемый с параллельно соединенного с навивкой резистора (3), передается через диодную сборку, ограничивающую уровень напряжения, на вход операционного усилителя (6). Инвертированный усиленный сигнал поступает на переменный резистор (7) и позволяет регулировать на выходе операционного усилителя (10) скважность выходного изменяемого сигнала, при настройке минимальной скважности до появления шумов ниспадающего фронта сигнала чувствительность прибора максимальна, так как прирост сигнала имеет экспоненциальную характеристику. Эта настройка используется для адаптации датчиков, отличающихся сопротивлением и индуктивностью от штатного. Дифференциальная ёмкость (8) вносит задержку в сигнал обратной связи операционного усилителя при наличии потенциала между входами, а элемент (9) является полюсом усилителя.
Получившийся полезный сигнал проходит через делитель напряжения (11) и поступает на вход контроллера (12), где фиксируется и вычисляется величина времени он ниспадающего фронта подающего сигнала на ключ (4) до ниспадающего фронта входящего сигнала. Контроллер повторяет эти действия для n периодов сигналов с малой скважностью и n периодов для сигналов с повышенной скважностью, в ходе математических вычислений и фильтрации значений, получается результаты уровня сигнала от металла и число дискриминации металла. Все эти данные отображаются на дисплее (14). Дополнительную функцию информирования о найденной цели выполняет светодиодная индикация и динамик (15). Клавиатура (16) состоящая из двух кнопок даёт возможность настроить отдельные параметры по чувствительности и порогу сигнала прибора, также громкости звука. Элемент (13) представляет преобразователь напряжения для питания микроконтроллера.
Вся описанная выше функциональность устройства реализована в виде конкретной радиоэлектронной схеме - фигура 2. Центральным элементом схемы является микроконтроллер U1 (AtMega168PA-AU), в него записывается программа, которая генерирует сигнал разной скважности исходящий с ножки 15 (OC2A). Сигнал поступает на маломощный биполярный транзистор VT2, который уже в свою очередь управляет затвором мощного полевого транзистора VT1. Открываясь, транзистор VT1, соединяет второй контакт навивки датчика с землей, датчик производит электромагнитный импульс. Электромагнитный импульс в навивке создаёт электромагнитное поле, которое в свою очередь обратно наводит ЭДС самоиндукции на навивку, благодаря этому при прекращении подачи питания катушки ЭДС в ней сразу не пропадает, а имеет некоторый период падения. Этот период падения ЭДС самоиндукции напрямую зависит от металлических предметов находящихся в зоне воздействия электромагнитного поля датчика. Чтобы зафиксировать продолжительность всего импульса в датчике, сначала сигнал проходит через встречно расположенные диоды (VD1,VD2) чтобы срезать уровень напряжения до удобного и безопасного уровня, далее сигнал преобразуется и усиливается посредством сдвоенного операционного усилителя (DA2). Затем сигнал после операционного усилителя попадает на вход прерывания микроконтроллера U1. Измеряя временную величину между падением фронта исходящего сигнала и падением фронта поступающего сигнала с датчика, мы получаем величину, которая характеризует состояние электромагнитного поля вблизи датчика. Изменение этой величины будет говорить о приближении или отдалении металлических объектов. За счет попеременного измерения аналогичных периодов, получающихся при генерации импульсов разной скважности, можно вычислить значение, характеризующее электромагнитные свойства подносимого предмета.
Для управления настройками прибора используются кнопки SB1 и SB2, программа позволяет менять параметры громкости, порога сигнала, чувствительности сигнала. На экране H1 осуществляется отображение текущих значений сигнала и значения электромагнитных свойств объекта, как в числовом виде, так и в виде динамично изменяющихся диаграмм. Светодиод HL1 загорается при критически низком уровне заряда батареи питания. Генерация звука построена на программном задании частоты и повторяемости импульсов, которые подаются на затвор полевого транзистора VT3, с которого в свою очередь усиленный сигнал поступает на динамик BA1.
Описание элементов, которые входят в состав радиоэлектронной схемы:
R1 - Резистор (2512), 30 Ом, 5%;
R2 - Резистор (2512), 330 Ом, 5%;
R3 - Резистор (0805), 2 кОм, 5%;
R4 - Резистор (0805), 10 кОм, 5%;
R5 - Резистор (0805), 300 кОм, 5%;
R6, R7, R14 - Резистор (0805), 1 кОм, 5%;
R8 - Резистор (0805), 510 Ом, 5%;
R9 - Резистор (0805), 1 мОм, 5%;
R10 - Резистор (0805), 12 кОм, 5%;
R11 - Переменный резистор (RV09), 100 кОм;
R12 - Резистор (0805), 33 кОм, 5%;
R13 - Резистор (0805), 100 кОм, 5%;
R15 - Резистор (0805), 3.3 кОм, 5%;
R16, R17, R22 - Резистор (0805), 270 Ом, 5%;
R18, R23, R24 - Резистор (0805), 1 Ом, 5%;
R19 - Резистор (0805), 10 Ом, 5%;
R20, R21 - Резистор (0805), 22 кОм, 5%;
C1, C3, C7 - Конденсатор (0805), 100 нФ, 10%, X7R;
C2, C4 - Конденсатор 100 мкФ, 16В;
C5 - Конденсатор (0805), 2.2 нФ, 5%, NP0;
С6 - Конденсатор (0805), 100 пФ, 10%, X7R;
VD1, VD2 - Диод 1N4148 (SOD123);
U1 - Микросхема AtMega168PA-AU (88PA, 48PA), TQFP32;
VT1 - Транзистор IRF-740, (TO-220);
VT2 - Транзистор BC817-25, (SOT-23);
VT3 - Транзистор IRLML2402TRPBF, (SOT-23);
DA1 - Микросхема AMS1117-3.3, (SOT-223);
DA2 - Микросхема TL072CDR, (SOIC-8);
SB1 - Кнопка с фиксацией, PB22E09, (8.5x8.5x14);
SB2, SB3 - Кнопка тактовая, IT-1102WC, (6x6x8);
BA1 - Динамик, DXP40N-A 0.5W, 8 Ом;
HL1 - Светодиод, AR-3528-SAA-Day4000-85, 3 V, 20 mA;
H1 - Дисплей графический, SPI, 132x32;
XP1 - Разъем GX16 16M-2A, GX16 16M-2B;
XP2 - Контактная группа на печатной плате;
XP3 - Разъем для наушников, 3.5 мм, 3F07 5pin;
L1 - Навивка медного провода 0.5 мм (24 витка на оправке диам. 23 см)
GB1 - Батарея питания, 9V 6F22.