СЕЛЕКТИВНЫЙ ИНДУКЦИОННЫЙ МЕТАЛЛОИСКАТЕЛЬ

Полезная модель относится к индивидуальным техническим средствам электроразведки военно-гуманитарного и бытового назначения для поиска и обнаружения металлосодержащих, в том числе взрывоопасных объектов в различных диэлектрических и слабо проводящих средах (грунт, вода, песок, снег, бетон…).
Известны импульсные индукционные металлоискатели, основанные на методе переходных процессов. Из Российских таковым является принятый на снабжение индукционный металлоискатель переносной селективный (ИМПС) производства ОАО «ТЗИА» (http://www.bnti.ru/des.asp?itm=2448&tbl=07.01.01). Зарубежными аналогами являются металлоискатели F3 Compakt Австралийской фирмы Minelab, компактный металлоискатель СМД Итальянской компании CEIA, миниатюрный металлоискатель Mimid Австрийской фирмы Schiebel. Перечисленные аналоги - металлоискатели двойного назначения, имеют близкие поисковые характеристики и отличаются друг от друга, главным образом, конструкцией и эксплуатационными характеристиками.
В российском индукционном металлоискателе ИМПС в развернутом для работы виде. Физической основой аналога является импульсный метод переходных процессов. ИМПС предназначен для поиска различных объектов из черных и цветных металлов и состоит из диэлектрического датчика, телескопической дюралюминиевой четырехколенной штанги, закрепляемого на штанге микропроцессорного пульта управления с дисплеем, блока электронной обработки сигналов, проходящего внутри штанги коммутационного кабеля и наушников.
В датчике реализован принцип дифференцирования принимаемого сигнала по полю (до аналоговой обработки). Датчик конструктивно выполнен в виде круглой рамки, в которой в плоскости рамки по периметру расположена излучающая катушка индуктивности, а на концах диаметральной перемычки перпендикулярно плоскости излучающей катушки размещены две приемные катушки, включенные на суммирование. В центре перемычки размещены устройства герметичного ввода коммутационно кабеля и шарнирного подсоединения штанги. Аналог имеет три режима работ: общий режим; режим настройки (обучения); режим селективного поиска.
Конструкция датчика обеспечивает относительно высокую точность определения координат обнаруженных объектов.
Основные недостатки известного ИМПС, делающие его малопригодным для целей инженерной разведки в реальных полевых условиях:
1. Принципиальный недостаток, характерный для любой дифференциальной системы регистрации - невозможность компенсировать сигналы приемных катушек, как в динамике, так и в статике.
2. Слабая помехозащищенность от неровности грунта, перекосов датчика и неравномерности скорости сканирования, также обусловленная принципом дифференцирования сигналов по полю.
3. Сложная система выбора режима работ в реальных условиях поиска, причем, в «общем режиме» работ отсутствует селективность обнаруженных объектов; а в режиме «селекция» металлоискатель пропускает все типы объектов кроме заданного.
4. Расположение дисплея на штанге затрудняет работу с прибором в полевых условиях, особенно при наличии травы, кустарника, неровностей поверхности грунта и при необходимости работать лежа.
5. Велика масса объекта в рабочем положении(≈3,0 кг).
Наиболее близким по конструкторским решениям является индукционный миниатюрный миноискатель Mimid австрийской фирмы «Schiebel», выбранный нами в качестве прототипа (http://www.novocom.ru/news/article/default.asp?I=141).
Прототип представляет собой неразборную складную конструкцию и включает в себя датчик, телескопическую штангу прямоугольного сечения с подлокотником, увеличивающим рабочую длину штанги, и блок электронной обработки сигналов. Коммутационный кабель проходит внутри штанги.
Конструктивные признаки прибора-прототипа:
Корпус датчика - прямоугольная рамка 320×95×20 мм с устройством шарнирного подсоединения к штанге и устройством герметичного ввода коммутационного кабеля; Штанга телескопическая из четырех полых колен прямоугольного сечения с возможностью изменять рабочую длину в пределах 320 мм 1256 мм, блок обработки сигналов конструктивно совмещен в единое целое с верхним коленом штанги; ввод коммутационного кабеля в блок обработки сигналов выполнен внутри шарнирного устройства. На лицевой поверхности блока обработки сигналов расположены ручки регулировки чувствительности и громкости с функцией «вкл-выкл», разъем для подключения наушников и светодиодная линейка; к верхнему концу штанги шарнирно подсоединен подлокотник; корпус датчика, штанга, кожух блока обработки сигналов выполнены из пластика методом прессования; масса прибора в рабочем состоянии ≈1,3 кг; габариты миноискателя в сложенном виде (320×95×55) мм; Основные недостатки прототипа.
- Конструкция неразборная, не пригодная к ремонту в полевых условиях;
- Наличие подлокотника ограничивает функциональные возможности прибора, в частности, ограничивает возможность работы в положениях полусидя и лежа;
- Отсутствует селекция обнаруженных объектов по массе и типу металлов;
- Расположение блока обработки сигналов на штанге параллельно поверхности земли создает вращательный момент, что значительно увеличивает нагрузку на кисть руки во время работы и приводит к повышенной усталости оператора.
Технической задачей является устранение недостатков прототипа, расширение оперативных и функциональных возможностей металлоискателя при уменьшении габаритных характеристик, повышение ремонтопригодности, оптимизация органов управления, адаптация к современным российским технологиям.
Заявленная полезная модель «Селективный индукционный металлоискатель» (СИМ) является разработкой нового поколения металлоискателей на основе импульсного метода переходных процессов.
Поставленная задача решается следующим образом.
Металлоискатель выполнен в виде разборной модульно-складной конструкции (см. фиг. 1), и включает в себя, как и прототип, датчик (1), полую телескопическую штангу (2), блок обработки сигналов БОС (3) и проходящий внутри штанги экранированный коммутационный кабель (4). Коммутационный кабель через герметизированные разъемы подключен к датчику и к блоку обработки сигналов.
Отличительные особенности металлоискателя: использован датчик с импульсным включением зондирующего поля, выполненный в виде прямоугольной диэлектрической рамки, внутри которой расположены излучающая и приемная катушки индуктивности, конструктивно совмещенные и загерметизированные в специальном пазе. Концы катушек через соответствующие провода коммутационного кабеля соединены с блоком обработки сигналов. Регистрация и селекция обнаруженных объектов по массе и типу металла осуществляется по соответствующей последовательности одиночных, двойных или тройных сигналов и по тону звуковой сигнализации звукового индикатора. Штанга пятиколенная телескопическая с возможностью изменять рабочую длину в пределах 350 мм ÷ 1200 мм; четыре колена штанги дюралюминиевые, пятое (нижнее) колено - диэлектрическое, снабжено шарнирной вилкой для соединения штанги с датчиком, посередине узкой стороны рамки выполнены ответная часть шарнира для подсоединения штанги и устройство герметичного ввода коммутационного кабеля. Противоположный конец штанги оборудован быстросъемным разъемом типа «ласточкин хвост» для соединения блока обработки сигналов со штангой; съемный блок обработки сигналов состоит из монолитного дюралюминиевого корпуса, в котором размешены шасси с платами электронной обработки сигналов и кассета с элементами электропитания; корпус блока обработки сигналов снабжен шарнирной откидной крышкой для доступа к элементам электропитания, на лицевой панели блока обработки сигналов расположены разъем подключения коммутационного кабеля, разъем звукового индикатора (наушников), а также резисторы регулировки чувствительности и громкости частотно зависимого звукового индикатора; на узкой стороне корпуса расположен ответный элемент разъема «ласточкин хвост» для соединения со штангой.
В частных случаях реализации полезной модели корпус датчика совместно с вилкой шарнирного соединения, нижнее колено штанги совместно с ответной частью вилки шарнирного соединения, корпус БОС с разъемом «ласточкин хвост», шасси для плат электронной обработки сигналов совместно с лицевой панелью БОС, откидная шарнирная крышка могут быть выполнены из диэлектрика в виде цельных конструктивных элементов методом компьютерного моделирования и изготовления по 3D-принтерной технологии путем послойного наплавления диэлектрического материала.
В другом частном случае реализации для удобства использования полезной модели диэлектрическая рамка датчика выполнена размером 245×110×12 мм, корпус блока обработки сигналов выполнен размером 171×127×46 мм, нижнее колено штанги выполнено диаметром 14 мм и длиной 290 мм.
Полезная модель представлена на фиг. 1, где приведены фотографии СИМ в развернутом для работы и в собранном видах. В отличие от прототипа конструкция прибора сборно-разборная, ремонтопригодная. Блок обработки сигналов, датчик, штанга являются самостоятельными конструктивными элементами и соединяются в поисковый прибор с помощью быстросъемных элементов типа «ласточкин хвост» и шарнирного соединения с возможностью фиксации угла наклона штанги по отношению к датчику. При этом каждый конструктивный элемент (блок обработки сигналов, датчик, штанга) разборный, что упрощает ремонт и замену дефектных узлов (кабеля, элементов питания, радиотехнических элементов) в полевых условиях.
В конструкции отсутствует подлокотник, что существенно уменьшает массогабариты. В подлокотнике нет необходимости, поскольку штанга в развернутом виде достаточна длинна и хорошо балансируется оператором подбором места удержания штанги по принципу «коромысла» с противовесом (БОС), при этом рука оператора не устает более длительное время; блок обработки сигналов расположен на конце штанги перпендикулярно ее оси по направлению силы тяжести, что, в отличие от прототипа, исключает вращательный момент вокруг оси штанги и облегчает работу оператора; соединение «ласточкин хвост» позволяет отсоединить сравнительно тяжелый БОС от штанги и закрепить его, например, в сумке на поясном ремне. Тем самым облегчается носимая в руке часть прибора, снижается нагрузка на кисть руки и, как следствие, повышается эффективность работы с прибором в различных условиях, особенно в положениях полусидя и лежа.
На лицевой панели БОС расположены только два герметизированных разъема для подключения датчика и наушника и два резистора для регулировки чувствительности и громкости звуковой частотно зависимой индикации с функцией «вкл-выкл».
Такая конструкция расширяет оперативно-функциональные возможности металлоискателя. Масса прибора в рабочем положении 1,3-1,5 кг; регулируемая рабочая длина штанги 350-1200 мм, размеры прибора в сложенном виде 350×127×49 мм;
Металлоискатель работает следующим образом.
Прибор легко приводится в рабочее положение на месте работ. Физической основой прибора является индукционный метод переходных процессов (МПП), суть которого - в импульсном возбуждении вихревых токов в металлических элементах объектов поиска и в регистрации вторичного поля вихревых токов. При работе прибора сигнал с приемной катушки поступает в БОС, где обрабатывается схемой электронной обработки. В промежутках между ступенчатым отключением и включением зондирующего поля проводится измерение амплитудно-временных характеристик неустановившегося электромагнитного (вторичного) поля вихревых потоков. Селективность объектов по массе и типу металла обеспечивается частотно-зависимой звуковой сигнализацией по соответствующей последовательности одиночных, двойных или тройных сигналов различной тональности.
Конструктивные особенности новой полезной модели обуславливают следующие положительный эффект и преимущества по сравнению с аналогами и прототипом:
1 Расширены оперативные и функциональные возможности металлоискателя при упрощении конструкции прибора.
2 Повышена ремонтопригодность сборно-разборной конструкции в полевых условиях;
3 Имеются всего две ручки управления работой прибора - регулировка чувствительности и регулировка громкости звуковой индикации.
4 За счет исключения вращательного момента штанги и уменьшения габаритов облегчено пользование прибором.
5 Серийное изготовление полностью адаптировано к традиционным российским технологиям, электромеханической и пресс-литьевой, которые хорошо развиты в России, основные корпусные и несущие конструктивные элементы допускают изготовление по аддитивной 3-D принтерной технологии.
Характерной конструкторско-технологической особенностью является возможность изготовления конструктивных элементов металлоискателя - нижнего колена штанги с элементом шарнирного устройства, корпуса датчика с элементами шарнирного устройства и герметичного ввода кабеля, шасси совместно с лицевой панелью, корпуса БОС с разъемом «ласточкин хвост» в виде моноэлементных конструкций. При этом изготовление полезной модели возможно как по традиционной электромеханической технологии в сочетании с пресс-литьевой при изготовлении диэлектрических конструктивных элементов, так и по аддитивной технологии, основанной на компьютерном моделировании и 3D-принтерном изготовлении диэлектрических элементов методом послойного наплавления пластика, например, PLA (полилактид). Полезная модель по 3D-принтерной технологии успешно осуществлена в условиях заявителя и обладает существенно меньшей массой (≈1,3 кг) без ухудшения поисковых и эксплуатационных характеристик изделия.
Положительный эффект, достигаемый при изготовлении металлоискателя по 3D-принтерной технологии: упрощение конструкции за счет уменьшения количества конструктивных элементов; экономия цветного металла при замене дюралюминиевых конструктивных элементов на пластиковые; существенное уменьшение времени изготовления конструктивных элементов и как следствие, удешевление стоимости конечного продукта.