Пристрій для пошуку електропровідних предметів

Пристрій для пошуку електропровідних предметів, який містить вихрострумовий датчик з вимірювальною та компенсаційними обмотками, розміщеними на П-подібному магнітопроводі, підсилювач з додатним зворотним зв'язком, в ланцюг якого включений конденсатор і вимірювальна обмотка вихрострумового датчика, формувач імпульсів, підключений до виходу підсилювача, комутаційний генератор і реєструючий пристрій, який відрізняється тим, що в нього додатково введені 3 ладу, не забезпечує високу чутливість до маси предмета, який розшукується. Відомий пристрій для пошуку електропровідних предметів [Авт. свід. СРСР №940036, МПК G01N27/00, 1982p.], який містить автогенератор, вимірювальний та компенсаційній датчики, виконані у вигляді котушок індуктивності, розміщених на двох U-подібних магнітопроводах, частотний детектор, два амплітудних модулятори, комутаційний генератор, реєструючий пристрій, вимірювально-компенсаційний датчик, включений у часозадаючий ланцюг автогенератора. Але нестабільність і неідентичність характеристик двох амплітудних детекторів, виконаних на напівпровідникових елементах, є джерелом додаткових похибок, що не забезпечує високу точність вимірювання. Відомий також пристрій для пошуку електропровідних предметів [Патент України №70232А, МПК G01N27/90, 2004p.], який містить вихрострумовий датчик з вимірювальною та компенсаційними обмотками, розміщеними на П-подібному магнітопроводі, підсилювач з додатнім зворотнім зв'язком, в ланцюг якого включений конденсатор і вимірювальна обмотка вихрострумового датчика, формувач імпульсів, підключений до виходу підсилювача, комутаційний генератор і реєструючий пристрій. Крім того, пристрій містить двійковий лічильник імпульсів, регістр пам'яті, дешифратор, цифровий індикатор, блок управління і два автоматичних перемикачі, підключених через подільник частоти до блоку управління. Залежність результатів вимірювання відомим пристроєм обумовлена не тільки масою прихованих металевих предметів, але й наявністю електропровідного фону в досліджуваному середовищі. Особливо сильно впливає вологість діелектричного середовища. Так, у землі або будівельних конструкціях безперечно присутні солі різних речовин. В вологому середовищі вони неминуче дисоціюють на іони, які створюють електропровідний фон, який маскує розшукувані електропровідні предмети. В основу корисної моделі покладена задача розробити такий пристрій для пошуку електропровідних предметів, в якому введення нових елементів і зв'язків забезпечило б інваріантність результатів пошуку до електропровідного фону, що підвищить достовірність знаходження локально розташованих електропровідних предметів. Поставлена задача вирішуються тим, що в пристрій для пошуку електропровідних предметів, який містить вихрострумовий датчик з вимірювальною та компенсаційними обмотками, розміщеними на П-подібному магнітопроводі, підсилювач з додатнім зворотнім зв'язком, в ланцюг якого включений конденсатор і вимірювальна обмотка вихрострумового датчика, формувач імпульсів, підключений до виходу підсилювача, комутаційний генератор і реєструючий пристрій, згідно корисної моделі, додатково введені послідовно з'єднані інтегратор, підсилювач частоти комутації, фазочутливий випрямляч і фільтр нижніх частот, два автоматичних ключа, додаткові компенсаційна обмотка та П-подібний магнітопровід та прошарок з 46615 4 діелектрика, розташований між П-подібними магнітопроводами, які примикають один до одного і утворюють Ш-подібний магнітопровід, при цьому вимірювальна обмотка розміщена на двох паралельно розташованих суміжних частинах Шподібного магнітопроводу, а компенсаційні обмотки розташовані на протилежних його частинах, вхід інтегратора з'єднаний з виходом формувача імпульсів, реєструючий пристрій підключений до виходу фільтра нижніх частот, кінці компенсаційних обмоток з'єднані між собою автоматичними ключами, керуючі входи яких з'єднанні з прямим і інверсними виходами комутаційного генератора, а керуючі входи фазочутливого випрямляча підключені до обох виходів комутаційного генератора. Саме введення в схему пристрою для пошуку електропровідних предметів інтегратора, підсилювача частоти комутації, фазочутливого випрямляча і фільтру нижніх частот, з'єднаних послідовно, двох автоматичних ключів, другої компенсаційної обмотки і другого П-подібного магнітопроводу, що примикає до першого П-подібного магнітопроводу і утворюючий з ним складений Ш-подібний магнітопровід, розділений прошарком з діелектрика з великим магнітним опором і високою теплопровідністю, а також розміщення вимірювальної обмотки на двох паралельно розміщених частинах складеного Ш-подібного магнітопроводу, забезпечує формування двох однакових, але просторово розділених магнітних потоків, які зондують сусідні ділянки досліджуваного середовища. Почергове замикання компенсаційних обмоток, розміщених на протилежних частинах, що не доторкуються, складеного Ш-подібного магнітопроводу, автоматичними ключами, котрі управляються протифазними напругами комутаційного генератору, забезпечує почергове зондування сусідніх ділянок досліджуваного середовища. В результаті підсилювачем з вимірювальною обмоткою в ланцюгу додатного зворотного зв'язку почергово, з частотою перемикання компенсаційних обмоток, генеруються пакети коливань з різними частотами, різниця значень яких свідчить про наявність розшукуваного предмета. Одноканальне перетворення частотних сигналів в напругу, виділення і підсилення змінної складової результуючої напруги забезпечує, високу чутливість пристрою до маси розшукуваного предмету при відсутності температурного і часового дрейфу нуля пристрію, що підвищує достовірність знаходження локального розміщення електропровідних предметів. На кресленні надана електрична функціональна схема пристрою, для пошуку електропровідних предметів. Пристрій містить вихрострумовий датчик 1, який включає 2 П-подібних магнітопроводи 2 і 3, що примикають один до одного, та розділені прошарком з діелектрику 4. В результаті створюється складений Ш-подібний магнітопровід, на двох паралельно розміщених суміжних частинах якого розміщена вимірювальна обмотка 5, а на протилежних частинах Ш-подібного магнітопроводу, що не доторкуються, розміщенні компенсаційні обмотки 6 та 7. Кінці вимірювальної обмотки 5 з'єднанні з конденсатором 8 і утворюють коливальний кон 5 тур, який включений в ланцюг зворотного зв'язку підсилювача 9. До виходу підсилювача 9 підключені послідовно з'єднаний формувач імпульсів 10, інтегратор 11, підсилювач частоти комутації 12, фазочутливий випрямляч 13, фільтр 14 нижніх частот і реєстратор 15, комутаційний генератор (мультивібратор) 16, прямим виходом з'єднаний з управляючим входом автоматичного ключа 17, інверсним виходом з'єднаний з управляючим входом автоматичного ключа 18, а обома виходами з'єднаний з управляючими входами фазочутливого випрямляча 13. Позицією 19 позначене досліджуване діелектричне середовище, а позицією 20електропровідний предмет, що розшукується. Пристрій працює наступним чином. Компенсаційні котушки 6 і 7 мають однакове число витків і замикаються накоротко при спрацюванні автоматичних ключів 17 і 18. Вимірювальна обмотка 5 включена в ланцюг додатного зворотного зв'язку підсилювача 9, збуджується резонансним струмом коливального контуру і утворює рівні магнітні потоки Ф1, та Ф2. При вказаному підключенні автоматичних ключів 17 і 18 к протифазних виходів мультивібратора 16 один з ключів замкнутий, а другий розімкнутий, і навпаки. При замиканні ключа, наприклад, 17, в котушці 6 виникає змінний струм, який практично розмагнічує магнітопровід 2 (Ф1, 0). В цьому випадку індуктивність L1 загальної вимірювальної обмотки 5 визначається магнітним потоком Ф2 магнітопроводу 3: L1 L L1, (1) де L -індуктивність обмотки датчика при зондуванні ідеального діелектричного середовища; L1 -реакція провідного фону досліджуваного середовища. З урахуванням (1) підсилювач 9 збуджується на резонансній частоті 1 f1 (2) 2 (L L1)C , де C - ємність конденсатора 8. При розмиканні ключа 17 та замиканні ключа Ф 0 ). При 18 розмагнічується магнітопровід 3 ( 2 L цьому індуктивність 2 загальної вимірювальної обмотки 5 буде визначатись тільки магнітним поФ током 1 , в зоні дії якого знаходиться розшукуваний електропровідний предмет 20. Через розмагнічуючу дію вихрових струмів, що наводяться в розшукуваному електропровідному предметі 20, L індуктивність 2 вимірювальної обмотки 5 приймає значення L2 L L2 L (3) , L2 - реакція провідного фону досліджуваде ного середовища; L - реакція предмета, що розшукується. Відповідно виразу (3) підсилювач 9 починає генерувати коливання резонансної частоти 46615 6 f2 1 (4) , При періодичному переключені ключів 17 і 18 частота автоколивань в підсилювачі 9 також періодично змінюється від значення (2) до значення (4) і навпаки. Частоту F комутації ключів 17 і 18 вибирають менше резонансної, але кратною частоті автоколивань f f F 1 2 (5) 2k , 2 (L L1 L )C k 10 >-кратність де комунікаційногомодуляційного перетворення. При вказаному співвідношенні частот на виході підсилювача 9 генерується почергово пакети f f електричних коливань з частотою 1 , і 2 . За допомогою формувача імпульсів 10 в кожному пакеті по моментам переходу через нуль кривих напруг формуються однополярні імпульси зі сталою вольт-секундною площею, які заряджають інтегратор 11. Постійна часу інтегратора 11 вибирається менше півперіоду комутаційної напруги генератора 16. Відповідно з (5) постійна часу інтегратора повинна задовольнять умови 2k (6) f1 f2 , З урахуванням (6) інтегратор 11 при генерації частоти 2 заряджається до напруги U1 k1U0 tf1, (7) k де 1 , - коефіцієнт передачі інтегратора; U0 - амплітуда однополярних імпульсів; t - тривалість однополярних імпульсів; f1 , - частота слідування однополярних імпульсів. Протягом генерування підсилювачем 9 частоти (4) інтегратор 11 заряджається до напруги U1 k1U0 tf2 , (8) При періодичній зміні частоти генерації від значення (2) до значення (4) і навпаки, на виході інтегратора 11 буде утворюватись змінна складова напруги з амплітудою U3 U1 U2 2 k1U0 t (f2 f1) 2 , (9) і частотою комутації компенсаційних обмоток 6 і 7 F. Змінна напруга 9 підсилюється підсилювачем 12 частоти комутації і випрямляється фазочутливим випрямлячем 13, який керується безпосередньо протифазними напругами мультивібратора 16. Випрямлена напруга згладжується фільтром 14 нижніх частот і фіксується регістром 15. Зареєстрована напруга U4 1 k1k2k3k4U0 t(f1 f2 ) 2 S(f2 f1) , (10) k де 2 - коефіцієнт підсилення підсилювача 12 частоти комутації; 7 46615 k3 - коефіцієнт випрямлення фазочутливого випрямляча 13; k4 - коефіцієнт передачі фільтра 14 нижніх частот; 1 S k1 2k3k 4U0 t - результуюча крутизна k 2 перетворення різницевої частоти в напругу, що вимірюється. Підставляючи в рівняння (10) значення частот з (2) та (4), отримаємо напругу U4 (L S 2 L1)C (L L1)(L C (L L2 L2 L )C (11 ) , L) Після математичних перетворень вираз (11) представляємо в вигляді U4 L1 1 L L1 (1 )(1 L 1 S 2 LC L2 L L2 L L L , L ) L (12 ) В вихрострумовому датчику 1 відносні зміни індуктивності L , вимірювальної обмотки 5 від елеL L2 ктропровідного фону невеликі ( 1 1 , 1) . L L Відносно невеликі і інформаційні зміни індуктивності обмотки 5 від вихрових струмів в шуканому L електропровідному предметі 20 ( 1 1) . ВикоL ристовуючи формулу наближених обчислень x вираз (12) ( 1 x 1 2 можна спростити і звести до вигляду U4 де Sf0 f0 L2 L1 L L L L , L1 L2 L 2 (1 )(1 ) L L L - резонансна частота ненаван 1 2 (13 ) LC таженого коливального контуру із індуктивності обмотки 5 датчика і конденсатора 8. В межах геометричних розмірів вихрострумового датчика 1 можна вважати вплив електропровідного фону зондуючого середовища на магніто( L1 L2 L3 ) . Тоді проводі 2 і 3 однаковим напруга, що реєструється U5 L L Sf 0 2 (1 L )(1 L L L L ) L Sf 0 L L 2 1 ( , L 2 ) L (14) 8 L 1) можна L вважати, що знаменник (14) близький до 1. Тоді напруга 1 L U5 Sf0 , (15) 2 L З виразу (15) видно, що при відсутності електропровідного предмета в зоні дії вихрострумового L датчика ( 0) вихідна напруга пристрою відсутL f ня при будь якій нестабільності частоти 0 автоколивальної системи. Не впливає на стабільність нуля пристрою, що пропонується, і неминуча нестабільність крутизни перетворення S частоти в напругу. За рахунок симетрії магнітопроводів 2 і 3 датчика 1 виключено вплив і електропровідного фону в зондуючому середовищі, який однаковій мірі почергово розмагнічує обидва магнітопроводи. Діелектричний прошарок 4 з великим магнітним опором і високою теплопровідністю забезпечує температурну симетрію складеного Шподібного магнітопроводу і виключає вплив компенсаційних обмоток 6 і 7 одна на одну. В результаті введених конструкційних і схемних відмінностей в пристрії, що пропонується, суттєво підвищується достовірність знаходження локально розміщених електропровідних предметів навіть на фоні електропровідного фону. Таким чином використання диференційного вихрострумового чутливого елемента з одною вимірювальною обмоткову і двома комутованими компенсаційними обмотками забезпечує почергове проходження зондуючих магнітних потоків через сусідні ділянки досліджуваного середовища. Хороший тепловий контакт і магнітна ізоляція магнітопроводів чутливого елементу, а також їх почергове намагнічування усуває вплив електропровідного фону досліджуваного середовища на результат контролю і виключає появу температурного і часового дрейфу вихідного сигналу. Незалежну роботу двох магнітопроводів одного вихрострумового датчика забезпечує діелектричний прошарок з гарною теплопровідністю і низькою магнітнопровідністю. Висока стабільність нуля запропонованого пристрою дозволяє отримати високу чутливість до маси і глибини розміщення досліджуваного предмету за рахунок підсилення різницевого сигналу на змінній напрузі одним підсилювачем частоти комутації. Фазочутливе випрямлення інформаційного сигналу підвищує завадостійкість та стабільність роботи пристрою. З урахуванням вищесказаного ( 9 Комп’ютерна верстка Л. Купенко 46615 Підписне 10 Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601