Пристрій для дистанційного знаходження металевих предметів

1 Пристрій для дистанційного знаходження металевих предметів, що містить автогенератор низької частоти, в частотозадавальне коло якого через узгоджуючий трансформатор включені паралельно з'єднані конденсатор та обмотка індукційного давача, частотний детектор у вигляді послідовного з'єднаних підсилювача-обмежувача, формувача коротких імпульсів, одновібратора і фільтра нижніх частот, що підключені до виходу автогенератора, реєстратор та заземлена шина пристрою, який відрізняється тим, що в нього введені другий індукційний давач та другий узгоджуючий трансформатор, повторювач напруги, послідовно з'єднані підсилювач змінної напруги, синхронний детектор та другий фільтр нижніх частот, а також мультивібратор та два автоматичних пе ремикачі, входи яких з'єднані між собою ВІДПОВІДНО І підключені до КІНЦІВ обмоток накладних індукційних давачів, початкові КІНЦІ ЯКИХ з'єднані між собою та з'єднані з заземленою шиною пристрою, вихід першого автоматичного перемикача з'єднаний з потенціальним електродом конденсатора, вихід другого автоматичного перемикача через другий узгоджуючий трансформатор з'єднаний з виходом повторювача напруги, вхід якого підключений до виходу автогенератора, до виходу фільтра нижніх частот частотного детектора підключений підсилювач змінної напруги, реєстратор, підключений до другого фільтра нижніх частот, управляючі входи синхронного детектора та входи автоматичних перемикачів з'єднані з протилежними плечами мультивібратора 2 Пристрій за п 1, який відрізняється тим, що обмотки двох індукційних давачів виконані на одній діелектричній підкладці з фольгованого гетинаксу шляхом утворення спіральних обмоток з однаковим кроком та числом витків правосторонньої та лівосторонньої намоток на протилежних сторонах підкладки із провідних шарів фольгованого гетинаксу, а початкові КІНЦІ ДВОХ обмоток в центрі давача з'єднані провідним містком О Винахід відноситься до області аналізу матеріалів за допомогою змінних магнітних полів низької частоти та може бути використаний для дистанційного знаходження металевих предметів шляхом прийому та виділення низькочастотних сигналів, перевипромшених об'єктом, який знаходять В пристроях для дистанційного знаходження металевих предметів використовують вимірювальні схеми, в яких сигнал, що випромінюється, та сигнал, що приймається (перевипромшений) являються безперервними, вони існують одночасно та співпадають по частоті Перевипромшений сигнал виникає внаслідок дії на шуканий предмет змінного магнітного поля випромінюючої (передаючої) котушки індукційного давача та приймається прийомною котушкою другого індукційного давача Взаємне положення котушок давачів вибирають таким, щоб магнітне поле випромінюючої котушки в відсутність сторонніх металевих предметів не наводило б сигналів в прийомній котушці Наявність поблизу котушок давачів металевого предмету зумовлюють виникнення сигналу у вигляді змінної ЕРС в прийомній котушці давача Відомий пристрій для дистанційного знаходження металевих предметів (див Мизюк Л Я , Поджарый В М , Проць Р В Измерение инвариантов магнитного поля при электроразведке - К Наукова думка - 1976 - С 46-50), який містить два індукційних давача, випромінююча котушка одного давача підключена до генератора низької частота, прийомна котушка другого давача через підсилювач низької частоти з'єднана з синхронним детектором, управляючий вхід якого підключений до генератора низької частоти через фазозсувний пристрій, а реєстратор підключений до виходу синхронного детектора через схему компенсації о ю 52090 Неминучі механічні та температурні деформації котушок давачів приводять до появлення хибного сигналу в прийомній котушці при відсутності металевих об'єктів, що знижує завадозахищенність та чутливість пристрою Схема компенсації нуля також не забезпечує повного придушення хибного сигналу із-за часової та температурної нестабільності параметрів вимірювального пристрою Відомий пристрій для дистанційного знаходження металевих предметів (див Щедрин А И Металлоискатели для поиска кладов и реликвий М Арбат-Информ - 1998 - С 42-44), що містить в собі генератор низької частоти, до виходу якого через перетворювач "напруга-струм" підключена котушка індукційого давача та конденсатор, що створюють коливальний контур, та суматор, один вхід якого з'єднаний з виходом генератора, інший вхід якого з'єднаний з виходом коливального контуру, а реєстратор підключений до виходу суматора Коефіцієнт перетворювання перетворювача "напруга-струм" вибирається таким, щоб вихідна напруга коливального контуру дорівнювала напрузі генератора за умов відсутності металу поблизу давача В результаті сумування протифазних напруг на коливальному контурі виконується віднімання двох сигналів і його вихідний сигнал дорівнює нулю При появі металу поблизу давача змінюються параметри котушки давача, що змінює напругу на коливальному контурі В результаті на виході суматора з'являється сигнал, ВІДМІННИЙ ВІД нуля Однак температурна та часова нестабільність власної індуктивності давача та параметрів конденсатора призводять до змін резонансної частоти коливального контура, а значить і до дрейфу нуля пристрою, що не дозволяє знаходити дрібні металічні предмети та збільшувати зону дії пристрою Відомий також пристрій для дистанційного знаходження металевих предметів (див Арш Э И Автогенераторные методы и средства измерений - М Машиностоение - 1979 - С 60-63), що містить автогенератор низької частоти, в частотозадаюче коло якого через узгоджуючий трансформатор включені паралельно з'єднані конденсатор та обмотка індукційного давача, частотний детектор у вигляді послідовно з'єднаних підсилювачаобмежувача, формувача коротких імпульсів, одновібратора і фільтра нижніх частот, що підключені до виходу автогенератора, реєстратор та заземлена шина пристрою Крім цього, пристрій включає опорний автогенератор стабільної частоти, балансний змішувач, входи якого з'єднані з виходом опорного автогенератора та вимірювального автогенератора, в коливальний контур якого включений індукційний давач Внаслідок нестабільності початкової частоти автогенератора з індукційним давачем, навіть при високій стабільності опорного автогенератора, виникає хибний сигнал різницевої частоти на виході змішувача, який сприймається оператором як корисний сигнал Скомпенсувати нестабільність вимірювального автогенератора практично неможливо із-за випадкового характеру частотних флуктуацій автогенератора Крім цього, виділення невеликої по значенню різниці частот вимірювального та опорного автогенератора зв'язано з великими труднощами внаслідок явища захвату фаз Воно заключається в тому, що два автогенератори, працюючі на дуже близьких частотах, мають тенденцію до паразитної синхронізації Ця синхронізація проявляється в тому, що при наближенні різницевої частоти до деякого порогу, виникає стрибкоподібний перехід до стану автогенераторів, коли їхні частоти співпадають Вимірювальний та опорний автогенератори пристрою стають синхронізованими Причиною цього явища є паразитне проникнення сигналу одного автогенератора в інший по ланцюгам живлення через паразитні ємності та загальний змішувач, в якому формується сигнал різницевої частоти В основу винаходу поставлена задача створення такого пристрою для дистанційною знаходження металевих предметів, в якому введення нових елементів та зв'язків дозволило би виключити дрейф нуля вимірювальної схеми та підвищити тим самим чутливість та точність знаходження металевих предметів Поставлена задача вирішується тим, що в пристрій для дистанційного знаходження металевих предметів, що містить автогенератор низької частоти, в частото задаюче коло якого через узгоджуючий трансформатор включені паралельно з'єднані конденсатор та обмотка індукційного давача, частотний детектор у вигляді послідовно з'єднаних підсилювача-обмежувача, формувача коротких імпульсів, одновібратора і фільтра нижніх частот, що підключені до виходу автогенератора, реєстратор та заземлена шина пристрою, згідно з винаходом в нього введені другий індукційний давач та другий узгоджуючий трансформатор, повторювач напруги, послідовно з'єднані підсилювач змінної напруги, синхронний детектор та другий фільтр нижніх частот, а також мультивібратор та два автоматичних перемикача, входи яких з'єднані між собою ВІДПОВІДНО і підключені до КІНЦІВ обмоток індукційних давачів, початкові КІНЦІ ЯКИХ з'єднані між собою та з'єднані з заземленою шиною пристрою, вихід першого автоматичного перемикача з'єднаний з потенціальним електродом конденсатора, вихід другого автоматичного перемикача через другий узгоджуючий трансформатор з'єднаний з виходом повторювача напруги, вхід якого підключений до виходу автогенератора, до виходу фільтра нижніх частот підключений підсилювач змінної напруги, реєстратор, підключений до другого фільтра нижніх частот, управляючі входи синхронного детектора та входи автоматичних перемикачів з'єднані з протилежними плечима мультивібратора Доцільно, щоб в пристрої обмотки двох індукційних давачів були виконані на одній діелектричній ПІДЛОЖЦІ із фольгованого гетинаксу шляхом утворення спіральних обмоток з однаковим кроком та числом витків правосторонньої та лівосторонньої намоток на протилежних сторонах підложки із провідних шарів фольгованого гетинаксу, а почат 52090 кові КІНЦІ двох обмоток в центрі давача з'єднані провідним містком Введения в схему пристрою для дистанційного знаходження металевих предметів другого індукційного давача, підключеного до виходу автогенератора через повторювач напруги та другий узгоджуючий трансформатор, двох автоматичних перемикачів, які періодично з частотою переключень введеного мультивібратора заміщують обмотки давачів одне одним, підсилювача змінної напруги, синхронного детектора та другого фільтра нижніх частот, підключених послідовно до виходу частотного детектора, включення управляючих входів синхронного детектора та автоматичних перемикачів до протилежних плечей мультивібратора і виконання обмоток двох індукційних давачів на одній діелектричній ПІДЛОЖЦІ з фольгованого гетинаксу шляхом утворення однакових спіральних обмоток, але з правою і лівою намотками на протилежних сторонах підложки, виключає явище захвату фаз і забезпечує стабільний нуль пристрою навіть при нестабільній початковій частоті автогенератора, що підвищує чутливість і точність знаходження металевих предметів На фіг 1,2,3приведена функціональна схема пристрою для дистанційного знаходження металевих предметів, на фіг 4 - взаємодія магнітних полів індукційних давачів пристрою з шуканим металевим предметом Пристрій (фиг 1) містить два накладних індукційних давача 1 і 2, кожний з яких складається з плоскої спіральної обмотки з протилежними навичками (вид зверху за стрілкою А - обмотка 3 і вид знизу за стрілкою В - обмотка 4), що закріплені ВІДПОВІДНО на одній діелектричній ПІДЛОЖЦІ 5, ав томатичні перемикачі 6 і 7, мультивібратор 8, конденсатор 9, узгоджуючі трансформатори 10 і 11, автогенератор 12 низької частоти, повторювач напруги 13, підсилювач-обмежувач 14, формувач 15 коротких імпульсів, одновібратор 16, фільтр 17 нижніх частот, підсилювач 18 змінної напруги, синхронний детектор 19, другий фільтр 20 нижніх частот та реєстратор 21 Позицією 22 позначений шуканий металічний предмет в зоні дії одного із давачів, а позицією 23 той же предмет в зоні дії двох давачів Спіральні обмотки 3 і 4 своїми початками з'єднані між собою і підключені до загальної заземленої шини пристрою КІНЦІ обмоток з'єднані з однойменними входами автоматичних перемикачів 6 і 7, управляючі входи яких підключені до протилежних плечей мультивібратора 8 Вихід автоматичного перемикача 6 з'єднаний з потенціальним електродом конденсатора 9 та потенціальним кінцем вторинної обмотки узгоджуючого трансформатора 10, який включений в ланцюг збудження автогенератора 12, до виходу автогенератора паралельно підключені повторювач напруги 13 та підсилювачобмежувач 14 При цьому вихід повторювана напруги 13 через узгоджуючий трансформатор 11 з'єднаний з виходом автоматичного перемикача 7 До виходу підсилювача-обмежувача 14 підключені послідовно з'єднані формувач 15 коротких імпульсів, одновібратор 16, перший фільтр 17 нижніх частот, підсилювач 18 змінної напруги та син хронний детектор 19, управляючі входи якого підключені до протилежних плечей мультивібратора 8 Вихід синхронного детектора 19 через другий фільтр 20 нижніх частот з'єднаний з реєстратором 21 Індукційні давачі 1 і 2 закріплені жорстко на одній діелектричній ПІДЛОЖЦІ 5, мають однакове число витків в обмотках, але з протилежними намотками Вектори їх магнітних моментів при протіканні по виткам однакових струмів направлені по одній осі, але в протилежному напрямку (фіг 4) Пристрій для дистанційного знаходження металевих предметів працює наступним чином При вказаному положенні автоматичних перемикачів 6 і 7 індукційний давач 1 підключений паралельно конденсатору 9, що разом утворюють коливальний контур автогенератора 12 низької частоти В спіральній обмотці 3 виникає струм низької частоти, що в центрі плоскої обмотки створює індукцію Ві магнітного поля в, =• 2 , V де P'm - магнітний момент, утворений струмом h обмотки З, Wi - КІЛЬКІСТЬ витків обмотки З, Ro - середній радіус обмотки З, F - площа обмотки З За рахунок взаємодії з металевим предметом 22 (провідниковим або феромагнітним) виникає додаткова компонента магнітної індукції (2) де q - коефіцієнт, що враховує форму та електричні параметри шуканого предмету, І - відстань до шуканого предмету Якщо шуканий предмет має форму кулі, то при врахуванні феромагнітних властивостей предмету коефіцієнт де ц, - магнітна проникність шуканого предмету При одночасному врахуванні електропровідних та феромагнітних властивостей маємо рГ 2ж 1+; їбр (4) де р- питомий електричний опір матеріалу предмету, р - оператор Лапласа Оскільки В загальному випадку коефіцієнт q функція комплексна, то відносна зміна індукції також є функцією оператора Лапласа д (5) Повний опір обмотки індукційного давача (без 52090 врахування омічного опору дроту та міжвиткової ємності) можна представити як (6) де L - індуктивність обмотки без впливу металевого предмету Резонансна частота коливального контуру з індуктивністю L давача 1 і ємністю конденсатора 9 визначається формулою Р U) де С - ємність конденсатора 9 Вихідна напруга автогенератора 12 з частотою fi через повторювач напруги 13 та узгоджуючий трансформатор 11 збуджує в обмотці 4 індукційного давача 2 аналогічний струм І2=Іі, що і в обмотці З індукційного давача 1 Оскільки струми в спіральних обмотках з протилежними намотками створюють однакові магнітні поля, але які направлені в протилежні сторони (фіг 4), то поле індукційного давача 2 не взаємодіє з шуканим предметом 22 При цьому параметри обмотки 4 давача 2 не впливають на частоту автогенератора 12 При протилежному положенні автоматичних перемикачів 6 і 7 в коливальний контур автогенератора 12 низької частоти включається обмотка 4 давача 2, а обмотка 3 давача 1 підключається до трансформатора 11 Оскільки магнітне поле давача 2 з магнітним моментом Р"т не взаємодіє з шуканим предметом (фіг 4), то частота коливального контуру, а значить і автогенератора 12, визначається виразом і (8) Магнітне поле індукційного давача 1 продовжує взаємодіяти з шуканим предметом 22, але вже не вносить зміни в індуктивність обмотки 3 давача 1 та не впливає на частоту автогенератора 12 При періодичній комутації обмоток 3 і 4 давачів автоматичними перемикачами 6 і 7, що забезпечують протифазні напруги мультивібратора 8, відбуваються і періодичні зміни частоти автогенератора 12 від значення (7) до значення (8) і навпаки В результаті цього в один напівперюд комутації на виході автогенератора 12 утворюється низькочастотна напруга частоти^ £/,(/> = £/„! sin(2tfi* + p,), 0