Пристрій для виявлення захованих струмопровідних об’єктів

Пристрій для виявлення захованих струмопровідних об'єктів, який містить високочастотний кварцовий генератор, подільник частоти, підключений до виходу кварцового генератора, дві індукційні котушки, осі яких у просторі розміщені перпендикулярно, підсилювач низької частоти, синхронний детектор, підключений одним входом до виходу підсилювача низької частоти, другим входом з'єднаний з виходом подільника частоти, фільтр нижніх частот, підключений до виходу синхронного детектора, резистор, конденсатор і репстратор, який відрізняється тим, що в нього введені другі подільник частоти, синхронний детектор та фільтр нижніх частот, а також введений вибірний підсилювач низької частоти та автоматичний перемикач, входи якого з'єднані з одними кінцями індукційних котушок, другі КІНЦІ яких з'єднані між собою та підключені до загальної заземленої шини, вихід автоматичного перемикача з'єднаний з входом підсилювача низької частоти, з виходом першого подільника частоти через резистор і з загальною заземленою шиною через конденсатор, репстратор підключений через другий фільтр нижніх частот до виходу другого синхронного детектора, один вхід якого через вибірний підсилювач низької частоти з'єднаний з виходом першого фільтра нижніх частот, другий вхід з'єднаний з виходом другого подільника частоти, входом підключеного до виходу першого подільника частоти, а керуючий вхід автоматичного перемикача з'єднаний з виходом другого подільника частоти Винахід належить до геофізики і може бути використаний, для виявлення захованих струмопровідних об'єктів, які знаходяться у грунті або в товщі споруд, за допомогою індукційних котушок пошукового пристрою Для виявлення захованих струмопровідних об'єктів використовують індукційні котушки, які створюють низькочастотне магнітне поле, яке глибоко проникає в грунт або товщу споруд При наявності в них струмопровідних об'єктів, наприклад, труб, кабелів, металевих виробів і т ш в провідній масі збуджуються вихрові струми, які створюють вторинне магнітне поле, яке наводить у випроміючих котушках низькочастотні сигнали (див Левшина Е С , Новицкий П В Электрические измерения физических величин (Измерительные преобразователи) - Л Энергоатомиздат Ленингр отд-ние, 1983, с, 190 - 191) Випромшений та прийнятий сигнали безперервні та співпадають по частоті, тому використовують різні схемотехнічні рішення по виділенню слабкого сигналу вторинного магнітного поля потужного первинного сигналу, яким збуджують індукційні котушки Відомий пристрій для виявлення захованих струмопровідних об'єктів (див приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий Справочник, в 2-х книгах, кн 2 / Под ред В В Клюева - М Машиностроение, 1986, С 132 133), який містить в собі генератор низької частоти, до виходу якого через перетворювач напруги в струм підключені з'єднані послідовно індукційна котушка та конденсатор, які утворюють коливальний контур, який настроєно на частоту генератора низької частоти, диференційний підсилювач, один вхід якого з'єднано з виходом генератора низької частоти, другий вхід з'єднано з коливальним контуром, а до виходу диференційного підсилювача підключено індикатор Коефіцієнт перетворення напруги в струм обирають таким, щоб напруга на виході коливального контура була рівною напрузі генератора у відсутності шуканого струмопровідного об'єкту При попаданні струмопровідного об'єкту в магнітне поле індукційної котушки змінюється напруга на коливальному контурі і виникає різницева напруга між напругою контуру та компенсуючою напругою (О ^ со Ю 53461 генератора, яка фіксується індикатором Одначе неминуча температурна та часова нестабільність параметрів коливального контуру, в який включено індукційну котушку, а також несталість параметрів перетворювача напруги у струм призводять до появи фальшивого різницевого сигналу, що знижує чутливість пристрою та зменшує зону упевненого виявлення струмопровідних об'єктів, особливо з малою масою Відомий також пристрій для виявлення захованих струмопровідних об'єктів (см Щедрин А И Металлоискатели для поиска кладов и реликвий М Арбат-Информ, 1998, С 60 - 62), який містить в собі високочастотний кварцевий генератор, ДІЛІльник частоти, підключений до виходу кварцового генератора, дві індукційні котушки, осі яких в просторі розміщені перпендикулярно, підсилювач низької частоти, синхронний детектор, підключений одним входом до виходу підсилювача низької частоти, другим входом з'єднаний з виходом ДІЛІЛЬНИка частоти, фільтр нижніх частот, підключений до виходу синхронного детектора, резистор, конденсатор та регістратор Крім того, він містить другий конденсатор, який з першим конденсатором та двома індукційними котушками утворює два незалежних коливальних контура, суматор, входами з'єднаний з виходами коливальних контурів, а виходом - з входом синхронного детектора через підсилювач низької частоти Найменше порушення ортогональності двох індукційних котушок або розстройка одного коливального контуру відносно другого викликають появу фальшивого різницевого сигналу на виході суматора Це призводить до великих помилок у виявленні захованих об'єктів Збільшення коефіцієнту підсилення низької частоти не дозволяє підвищити чутливість пристрою до малої маси шуканих об'єктів, тому що разом з корисним сигналом підсилюється і фальшивий сигнал тієї ж частоти, який виникає від неідентичності характеристик двох коливальних контурів та паразитної взаємної індуктивності двох індукційних котушок В основу винаходу покладена задача створити такий пристрій для виявлення захованих струмопровідних об'єктів, у якому введення нових елементів і звязків дозволило б виявляти предмети малих розмірів і збільшувати глибину пошуку при високій точності виявлення захованих об'єктів Поставлена задача вирішується тим, що в пристрій для виявлення захованих струмопровідних об'єктів, який містить високочастотний кварцовий генератор, ДІЛІЛЬНИК частоти, підключений до виходу кварцового генератора, дві індукційні котушки, осі яких в просторі розміщені перпендикулярно, підсилювач низької частоти, синхронний детектор, підключений одним входом до виходу підсилювача низької частоти, другим входом зєднаний з виходом ділільника частоти Фільтр нижніх частот, підключений до виходу синхронного детектора, резистор, конденсатор та регістратор, згідно з винаходом в нього введено другі ДІЛІЛЬНИК частоти, синхронний детектор та фільтр нижніх частот, а також вибірний підсилювач низької частоти та автоматичний перемикач, входи якого з'єднані з одними кінцями індукційних котушок, другі КІНЦІ яких з'єднані між собою та підключені до загальної заземленої шини, вихід автоматичного перемикача з'єднаний з входом підсилювача низької частоти, з виходом першого ділільника частоти через резистор та з загальною заземленою шиною через конденсатор, регістратор підключено через другий фільтр нижніх частот до виходу другого синхронного детектора, один вхід якого через вибірний підсилювач низької частоти з'єднано з виходом першого фільтра нижніх частот, другий вхід з'єднано з виходом другого ділільника частоти, входом підключеного до виходу першого ділільника частоти, а керуючий вхід автоматичного перемикача з'єднано з виходом другого ділільника частоти Введення у схему пристрою других ділільника частоти, синхронного детектора та фільтра нижніх частот, а також вибірного підсилювача низької частоти та автоматичного перемикача, включених зазначеним способом дозволяє за рахунок почергового збудження котушок знищити вплив паразитної взаємоіндуктивності цих котушок при порушенні їх просторової ортогональності на різницевий сигнал, неминучий розлад одного коливального контуру відносно його резонансної частоти також не викликає появи фальшивого різницевого сигналу тому, що відсутня модуляція в його ВИХІДНІЙ напрузі Можливість додаткового підсилення напруги низькочастотної огинаючої модульованої напруги коливального контуру вибірним підсилювачем частоти перемикання двох котушок підвищує чутливість пристрою, що дозволяє виявляти предмети малих розмірів і збільшувати глибину пошуку при високій точності виявлення захованих об'єктів На кресленні (фіг) подана електрична функціональна схема пристрою для виявлення захованих струмопровідних об'єктів Пристрій містить в собі індукційні котушки 1 і 2, автоматичний перемикач 3, конденсатор 4, ДІЛІЛЬники частоти 5 і 6, високочастотний кварцовий генератор 7, резистор 8, підсилювач низької частоти 9, перший синхронний детектор 10, перший фільтр 11 нижніх частот, вибірний підсилювач 12 низької частоти, другий синхронний детектор 13, другий Фільтр 14 нижніх частот та регістратор 15 Позицією 17 позначене діелектричне середовище (будівельні конструкції, пісок, грунт і т ін), в якому знаходиться шуканий струмопровідний об'єкт 18 Індукційні котушки 1 і 2 своїми одними кінцями з'єднані з входами автоматичного перемикача З Другі КІНЦІ індукційних котушок з'єднані між собою та підключені до загальної заземленої шини 16 Вихід автоматичного перемикача 3 з'єднано з одним кінцем конденсатора 4, другий кінець якого з'єднано також із загальною заземленою шиною, керуючий вхід автоматичного перемикача 3 через ДІЛІЛЬНИКИ частоти 5 і 6 з'єднаний з високочастотним кварцовим генератором 7 Вихід дідільника частоти 6 через резистор 8 з'єднаний з потенціальним кінцем конденсатора 4 і входом підсилювача 9 низької частоти Синхронний детектор 10 одним входом з'єднаний з виходом підсилювача 9 низької частоти, а другим входом - з виходом ділільника частоти 6 До виходу синхронного детектора 10 через фільтр 11 нижніх частот та вибірним підсилювачем 12 низької частоти підключено дру 53461 гий синхронний детеїсгор 13, другий вхід якого зистора 8 і конденсатора 4 виявляється промодузєднаний з виходом другого ділільника частоти 5 льованою по амплітуді При цьому низька частота До виходу синхронного детектора 13 через другий со, на якій здійснюється зондування середовища фільтр 14 нижніх частот підключено репстратор 17, є несучою частотою, а частота перемикань Q 15 визначає частоту огинаючої амплітудномодульованих коливань Глибина амплітудної моШуканий струмопровідний об'єкт 18, напридуляції при цьому визначається масою та полоклад, металічна пластина, знаходиться в непровіженням струмопровідного об'єкту відносно осей дному (діелектричному) середовиші 17 індукційний котушок Індукційні котушки 1 і 2 розміщені перпендикулярно відносно одна одній і з'єднані між собою Модульовані по амплітуді коливання підсилюжорстко, утворюючи чутливий елемент шуканого ються підсилювачем 9 низької частоти та надхопристрою дять на синхронний детектор 10, опорною напруПристрій працює наступним чином гою якого служить безпосередньо вихідна напруга Індукційні котушки 1 і 2 з однаковими індуктивділільника частоти 6 На виході фільтру 11 нижніх ностями І_і = І_2 = L почергово за допомогою авточастот із продетектованих коливань виділяється матичного перемикача 3 з'єднуються з конденсамодулююча напруга частоти перемикань Q Ця тор 4 з ємністю С, що утворює коливальний напруга підсилюється вибірним підсилювачем никонтур Автоматичний перемикач 3 керується прязької частоти 12, настроєним на частоту перемимокутною напругою низької частоти Q, яка форкань Q Підсилена напруга піддається повторному мується на виході послідовно з'єднаних ДІЛІЛЬНИКІВ синхронному детектуванню піддається повторному частоти 5 і 6, які підключені до виходу високочассинхронному детектуванню на частоті Q в синхрототного кварцового генератора 7 Коливальний ннім детекторі 13, опорною напругою якого слуконтур збуджується напругою низької частоти с > о жить вихідна напруга ділільника частоти 5 ВипряQ, яку одержують діленням високої частоти квармлена напруга з виходу синхронного детектора 13 цового генератора 7 ДІДІЛЬНИКОМ частоти 6 через згладжується другим фільтром 14 нижніх частот і резистор 8 Опір резистора 8 обирають однаковим репструється вихідним приладом 15 з опором коливального контуру на частоті резонаВнаслідок частотного розладу коливального нсу, а ємність С конденсатора 4 обирають, вихоконтуру під впливом вихрових струмів в шуканому дячи з умови одержання резонансу на низькій часоб'єкті вихідна напруга коливального контуру не тоті со(соі_ = 1 /соС) тільки змінюється по амплітуді, але і змінюється фаза цієї напруги по відношенню до фази збуджуПри наявності в шуканому середовищі 17 вальної напруги Тому напруга на вході синхроннострумопровідного об'єкту 11, реакція індукційних го детектора 10 є модульованою як по амплітуді, котушок 1 і 2 на об'єкт буде різна, тому що їх осі в так і по фазі, причому фазова модуляція є більш просторі розміщені перпендикулярно Так, якщо глибокою через більшу крутизну фазової характеструмопровідний об'єкт, наприклад, пластина 18, ристики коливального контура в порівнянні з ампрозміщена паралельно осі індукційної котушки 1 і літудою навколо частоти резонансу Тому ампліперпендикулярно осі індукційної котушки 2, то витуда напруги огинаючої на виході першого фільтра хрові струми в об'єкті будуть чинити розмагнічуючу 11 нижніх частот першого синхронного детектора дію на котушку 2 і практично не впливатимуть на 10 пропорційна як вносимому опору збитків в кокотушку 1 При другому положенні об'єкту 18 по ливальному контурі, так і вносимому індуктивному відношенню до індукційних котушок 1 і 2 вихрові опору, що підвищує чутливість пристрою к малим струми впливатимуть на обидві індукційні котушки, масам шуканого об'єкту але в різній мірі Через розмагнічуючу дію вихрових струмів зменшується індуктивний опір котушок і резонансні частоти коливальних контурів стають різними Внаслідок переключення індукційних котушок 1 і 2 по відношенню до конденсатора 4 поруч з резонансною частотою змінюється і добротність коливального контуру через різні збитки, які вносяться, якщо при підключенні індукційної котушки 1 реакція шуканого об'єкту практично була відсутньою, то коливальний контур пристрою знаходився у стані резонансу При підключенні індукційної котушки 2 через зменшення и індуктивного опору і активного опору, який вноситься, порушується резонанс і падіння напруги на коливальному контурі різко знижується Внаслідок періодичного перемикання індукційних котушок ВІДПОВІДНО змінюється і вихідна напруга ділільника напруги, створеного опором резистора 8 і опором коливального контуру, яка різко зменшується при розладнанні контура Частота перемикань Q індукційних котушок менше частоти с збудження коливального контуо ру, тому вихідна напруга дідільника напруги із ре При відсутності в зондуємому середовищі струноподібних об'єктів переключення індукційних котушок не змінює комплексний опір коливального контуру, а отже відсутня як амплітудна, так і фазова модуляція, порушення ортогональності осей індукційних котушок не може викликати появу модуляції на виході коливального контуру через їх різночасність збудження, а отже, і неможлива поява фальшивого сигналу на виході другого фільтра 14 нижніх частот другого синхронного детектора 13 Таким же чином не впливає несталість частоти с збудження коливального контуру, нео стабільність параметрів конденсатора 4, коефіцієнта підсилення підсилювача 9 низької частоти і параметрів других елементів вимірювальної схеми на різницевий сигнал У ВІДОМІЙ схемі прототипу різницевий сигнал, який несе інформацію про присутність струмопровідного об'єкту в зоні дії котушок, підсилюється тільки підсилювачем 9 низької частоти, який включено перед синхронним детектором 10, додаткове підсилення різницевого сигналу по сталому струму на виході фільтра синхронного детектора небажа 53461 не через неминучість дрейфу нуля підсилювачів сталого струму В запропонованому пристрої можливе додаткове багатокаскадне підсилення на частоті Q перемикання індукційних котушок за допомогою бездрейфового вибірного підсилювача 12 низької частоти, де підвищує чутливість пристрою, що дозволяє виявляти предмети малих розмірів і збільшувати глибину пошуку при високій точності виявлення захованих об'єктів Приклад Розроблено макет індукційного двухкотушечного виявителя струмопровідних об'єктів в діелектричних середовищах Індукційні котушки намотані на однакові каркаси мідним дротом діаметром 0,5мм і містять по 250 витків кожна Осі круглих котушок із середнім діаметром 0,3м в просторі розмішені перпендикулярно і створюють єдиний блок, який закріплено на пошуковій штанзі В якості кварцового генератора використана мікросхема часового кварцу на частоту 32кГц В якос 8 ті ДІЛІЛЬНИКІВ частоти використані перелічувальні схеми на тригерах Коефіцієнт ділення першого ділільника частоти обрано рівним 2 5 = 32, що забезпечує збудження обох індукційних котушок на частоті ~ 1 кГц, а коефіцієнт ділення другого ділільника частоти рівним 2 = 1 6 , який керує перемиканням котушок з частотою ~ 62,5Гц Сам автоматичний перемикач виконано на герконах, обмотки управління яких підключені до протифазних виходів другого дідільника частоти Синхронні детектори реалізовані на основі інтегрального складання аналогових ключів на польових транзисторах, почергово замикаючі на загальну шину парафазні виходи підсилювачів, а підсилювачі низької частоти виконані на операційних підсилювачах їх коефіцієнти підсилення обрані 100 і 1000 ВІДПОВІДНО, випробування показали, що пристрій дозволяє виявляти металевий предмет масою 10г у піску на глибині до 2,5м ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)236-47-24