BG1065U1 - Уред с индукционен магнитомерен сензор за дълбочинно откриване на метални предмети - Google Patents

Abstract

Полезният модел се отнася до уред с индукционен магнитомерен сензор, включващ най-малко една двойкадиференциални бобини (1), поместени във вътрешността на уреда, като всяка от тях е снабдена с подходящ магнитопровод (2), а във вътрешността на уреда, между бобините (1) с магнитопроводите (2), е разположена платка (3) с електронни компоненти. Уредът в едната си част е свързан със захранващ кабел (15). Магнитомерният сензор включва двойката диференциални бобини (1), свързани към входа на нискочестотен филтър (8) чрез звено за баланс (7), чийто изход е включен през ограничител (9) към усилвател (10), при което изходът на усилвателя (10) е свързан към входа на електронен блок, включващ последователно свързаните диференциращ усилвател (11), двуполупериоден детектор (12) и блок компаратори (13). Към блока компаратори (13) е подаден опорен сигнал от вторично детекторно устройство, задаващ нивото на задействане на уреда, като от блока компаратори (13) е изведен ключов изход, а от двуполупериодния детектор (12) е изведен аналогов изход. Всички елементи на схемата се захранват от електронен стабилизатор (14).

Description

(54) УРЕД С ИНДУКЦИОНЕН МАГНИТОМЕРЕН СЕНЗОР ЗА ДЪЛБОЧИННО ОТКРИВАНЕ НА МЕТАЛНИ ПРЕДМЕТИ

Област на техниката

Настоящият полезен модел се отнася до уред с индукционен магнитомерен сензор за дълбочинно откриване на метални предмети, с приложение в археологията, строителството, в системи за охрана, в индустрията - за регистриране, броене и анализ на продукцията, както и за съвместно използване с най-разнообразни други апаратури, системи и датчици, в зависимост от нуждите.

Предшестващо състояние на техниката

Известни са много разработки на магнитомерни датчици, като всяка има специфични предимства и недостатъци.

В BG 108708 U е описана антена за импулсен металотърсач, намиращ приложение в археологията, геологията, строителството. С него се откриват всички видове метали, като едновременно с това се различават феромагнитните от немагнитните метални обекти. В корпуса на антената са разположени импулсна предавателно-приемна бобина и система от магнитно-индуктивни бобини с феритни сърцевини или интегрални схеми - сензори на магнитни полета. Разстоянието от най-близката точка на системата от магнитно-индуктивните бобини или интегралните схеми до импулсната предавателно-приемна бобина е над 50 mm. Системата магнитно-индуктивни бобини е съставена от две съосни бобини, допрени или отдалечени една от друга. Системата от интегрални схеми - сензори на магнитни полета, е изградена от две до четири съосно разположени интегрални схеми, които могат да бъдат допрени или всяка една отдалечена от съседната на разстояние до 600 mm.

BG 108208 U описва антена за металотърсач с приложение в археологията, геологията, военната практика. Състои се от носещо тяло, чиято горна част е от покрит с полиестерна смола стъклопласт. На горната част на носещото тяло има отвор, под който диаметрално преминава участък на предавателна и приемна бобина. Участъкът не е фиксиран със смола към горната част на носещото тяло. Отворът позволява допълнително коригиране на баланса между пре давателната и приемната бобина. Всяка от бобините поотделно е екранирана с графитна или полимерна лента.

В BG 108708 Ό не е уточнено какъв тип са интегралните схеми - основно те биха могли да бъдат датчици на Хол или магниторезистивни датчици. Използването на датчици на Хол не е удачно поради ниската им чувствителност, а магниторезистивните изискват ресетване по време на работа, поради наличието на остатъчна намагнитеност в тях и е проблемно използването им при наличието на силни външни полета, особено с импулсен характер. Посочени са редица ограничения откъм отстояние от излъчващи бобини и разстояния между датчиковите бобини. В това известно решение се предвижда използване на феромагнитни сърцевини без уточнение какви трябва да са феромагнетиците, от които да се изработят сърцевините. Това може да въведе в заблуждение и неуспехи някои конструктори, ако бъдат използвани произволни материали за сърцевините. Липсата на електростатичен екран също води до невъзможност за използването на посочения датчик, а липсата на буфер, вграден в датчика, позволява шумовете, предизвикани от самия свързващ кабел, да достигнат до ниво, неколкократно превишаващо полезния сигнал, особено при използване в близост до такъв мощен източник на смущения, какъвто е излъчващата бобина на един импулсно-индукционен уред. С уред от този тип е трудно да се работи, поради необходимостта от постоянна намеса на човек, което води до генериране на грешки и даване на неверни сигнали.

Техническа същност на полезния модел

Следователно цел на настоящия полезен модел е да се създаде уред с индукционен магнитомерен сензор за дълбочинно откриване на метали, който да се отличава с простота на конструкцията, устойчивост на външни магнитни полета, при което да е възможна съвместната му употреба с други типове апаратури, регистриращи проводими феро- и диамагнитни метални обекти, както и самостоятелното му и пълноценно използване в промишлеността и бита.

Целта е постигната, като е създаден уред с индукционен магнитомерен сензор, включващ най-малко една двойка диференциални бобини, поместени във вътрешността на уреда, всяка от тях снабдена с подходящ магнитопровод. Бобините и магнитопроводът са поместени в носещо тяло, над което е разположен слой от електростатичен екран, над който е разположено външно защитно покритие. Във вътрешността на уреда, между бобините с магнитопроводите, е разположена платка с електронни компоненти. Уредът в едната си част е свързан със захранващ кабел.

Магнитомерният сензор включва двойката диференциални бобини, свързани към входа на нискочестотен филтър, чийто изход е свързан през ограничител към усилвател. Изходът на усилвателя е свързан към входа на електронен блок, включващ последователно свързаните диференциращ усилвател, двуполупериоден детектор и блок компаратори. Към блока компаратори е подаден опорен сигнал от вторичното детекторно устройство, задаващ нивото на задействане на уреда. От блока компаратори се извежда ключов изход, а от двуполупериодния детектор е изведен аналогов изход. Всички елементи на схемата се захранват от електронен стабилизатор .

Целесъобразно е диференциалните бобини да са цилиндрични соленоиди с подходяща нискокоерциетивна сърцевина с голяма магнитна проницаемост.

Също така е подходящо двете бобини да са с еднакви параметри и разположени в пространството с взаимоуспоредни оси - разместени в равнината им или съвпадащи. Това се налага от изискването за еднаквост на въздействието на външните, смущаващи магнитни полета с еднаква интензивност върху двата датчика (бобини) с цел противофазното им и еднакво влияние върху тях с последващото му елиминиране.

Предвидена е настройка и компенсация по електричен път на неизбежните разлики между диференциалните датчици, породени от технологичните им особености - разлики в магнитната проницаемост на отделните магнитопроводи, както и неизбежните геометрични разлики между тях. Компенсацията се извършва чрез звено, позволяващо редуцирането на тия разлики.

В един вариант на изпълнение разстоянието между двата диференциални датчика (бобини) е над 1000 mm, като това голямо разстояние налага използването на устойчива механична конструкция, като за целта се използва полимерна носеща тръба, като това от своя страна олекотява цялостно системата, като същевременно намалява количеството метал в нея и съответно редуциране на внасяните смущения в работещи наблизо други чувствителни апарати.

В друг вариант на изпълнение двойката диференциални бобини (датчици) са в силна магнитна връзка помежду си посредством магнитно меките магнитопроводи.

В друг вариант на изпълнение полимерният корпус е екраниран с електростатичен екран, от тънко метално фолио.

В друг вариант на изпълнение същият полимерен корпус е екраниран с проводим лак.

Предимствата на настоящия полезен модел пред известните разработки, е високата шумозащитеност на този датчик, поради вградените в него нискочестотен филтър, защита от свръхсилни външни полета, както и нискоимпедансният му изход, позволяващ изнасянето на датчика на значително разстояние от околните апаратури, без това да влошава съотношението сигнал/шум и затихването на полезния сигнал. Това допуска например съвместното му приложение с импулсно индукционен уред във всякакви конфигурации и отстояния от излъчващата намотка, което при предшестващите разработки е силно ограничено. При посочената в BG 108708 U конфигурация, е почти невъзможна съвместната работа на тези две системи или касае прецизна и несигурна балансировка между двете системи.

Пояснения на приложените фигури

Фигура 1 илюстрира конструкцията на уреда с индукционен магнитомерен сензор, съгласно настоящия полезен модел;

фигура 2 показва блокова схема на свързване на сензора с електронния блок от състава на показания на фиг. 1 уред.

Примери за изпълнение на полезния модел

Уредът с индукционен магнитомерен сензор (фиг. 1) за дълбочинно откриване на метални предмети включва поне два цилиндрични соленоиди 1 с подходяща нискокоерциетивна сърцевина 2 с голяма магнитна проницаемост, еднакви параметри и разположени в пространството с взаимоуспоредни оси - разместени в равнината им или съвпадащи. Между двата солено4

1065 Ul ида 1 е поместена електронна платка 3, свързана със соленоидите по показания на фиг. 2 начин. В настоящия полезен модел се използва полимерна носеща тръба 4, в която са поместени соленоидите 1 и магнитната сърцевина 2. Полимерната носеща тръба (корпус) 4 е екранирана с електростатичен екран 5, като цялото устройство е поместено под външно защитно покритие 6.

Магнитомерният сензор (фиг. 2) включва двойката диференциални бобини 1, свързани чрез звено за баланс 7 към входа на нискочестотен филтър 8, чийто изход е свързан през ограничител 9 към усилвател 10. Изходът на усилвателя 10 е свързан към входа на електронен блок, включващ последователно свързаните диференциращ усилвател 11, двуполупериоден детектор 12 и блок компаратори 13. Към блока компаратори 13 е подаден опорен сигнал, задаващ нивото на задействане на уреда. От блока компаратори 13 се извежда ключов изход, а от двуполупериодния детектор 12 е изведен аналогов изход. Всички елементи на схемата се захранват от електронен стабилизатор 14.

По-долу са дадени няколко конкретни примера за разстояние между диференциалните бобини 1, брой на навивките в тях и материал, от който се изработва магнитопроводът.

Примери за самостоятелно използване (практически тествани):

1. Индукционен магнитомерен датчик за трасиране на метални водопроводни тръби. При това приложение разстоянието между бобините 1 е 780 mm, всяка бобина 1 има 5000 навивки, а магнитопроводът е изработен от стомана 3.

2. Индукционен магнитомерен датчик в хранително-вкусовата промишленост за броене на метални консервни кутии. Тук разстоянието на бобините е 90 mm, всяка бобина има 3000 навивки, магнитопроводът е от стомана 3.

Примери за съвместно използване с други типове апаратури (практически тествани):

1. Индукционен магнитомерен датчик отстояние между бобините 850 mm, обща дължина на датчика 960 mm, отстояние на бобините от импулсно индукционна излъчваща намотка 10 mm. Импулсно индукционната намотка е с квадратна форма с размери 1000 на 1000 mm, поставена заедно с индукционния датчик в корпус от PVC тръби.

2. Индукционен магнитомерен датчик отстояние между бобините 120 mm, обща дължина на датчика 220 mm, отстояние от импулсно индукционната намотка, асиметрично 30 mm и симетрично - централно разположен. Размери и форма на импулсно индукционната намотка 500 mm, 1000 mm и 1500 mm. Двете системи са разположени в корпус от PVC тръби.

3. Индукционен магнитомерен датчик отстояние между бобините 120 mm, обща дължина на датчика 220 mm, разположен в излъчваща хармоничен сигнал и/или хармонични едно- и двуполярни меандри в намотка с размери 350 mm, 450 mm, 800 mm, 1000 mm и 1500 mm.

Начин на използване

Магнитомерният сензор работи по следния начин.

Известно е, че при пресичане на силовите магнитни линии от намотка се индуцира електродвижещо напрежение съгласно закона на Фарадей e(t) = -άΦ/dt, или казано по друг начин - пресичането на магнитен поток от соленоид поражда електродвижещо напрежение, пропорционално на големината на магнитния поток и времето за промяната му (скоростта на пресичане). Индуцираното електродвижещо напрежение също е правопропорционално на броя на навивките, сечението на магнитопровода и неговата магнитна проницаемост. За предотвратяване въздействието на външни хомогенни полета и смущения се използва диференциално свързване на такива соленоиди, като по този начин индуцираните синфазни напрежения се изваждат и практически се регистрира само интересуващият ни несинфазен сигнал. Магнитомерните датчици регистрират деформациите в земното магнитно поле (което може с известно приближение да се приеме за хомогенно), предизвикани от феромагнитни материали, както и полетата, създавани от постоянни магнити. Диамагнетиците пренебрежимо слабо деформират полето и не се индицират от този тип уреди.

Съществуват класове уреди, които работят на други принципи, но при тях съществува недостатъкът, че практически и в реални условия не могат да дадат информация за типа на метала, който са регистрирали. Типичен пример са уредите, работещи на импулсно индукционен

1065 Ш принцип. Това са прибори, активно въздействащи на изследвания обект. Генератор на импулси (наричани изпомпващи) с ниска честота (100 Hz - 2 kHz) управлява мощен комутиращ елемент (ключов биполярен транзистор или MOS транзистор), който от своя страна, пропуска по време на импулса ток през датчика, представляващ приемо-предавателна бобина с подходящ импеданс, демпфвана с подходящ по стойност резистор, към който също има определени изисквания. В соленоида се натрупва енергия, пропорционална на индуктивността му и след прекратяването на импулса (отварянето на ключа), се индуцира пик на обратно електродвижещо напрежение, спадащ по експоненциален закон, като демпфващият резистор определя времето за това спадане (желателно е процесът да е на границата между апериодичен и критично апериодичен). При наличие в близост до датчика на метален обект, в него се индуцират вихрови токове или се намагнитва, като и в двата случая това води до удължаване на апериодичния процес. Идеята на принципа е в измерването на тази промяна в продължителността на процеса. Практически, това се реализира по следния начин. Тъй като процесът на облъчване на обекта с гореспоменатия импулс и отговорът (вихровите токове и породеното от тях магнитно поле), са разместени във времето, датчиковата система се състои от една единствена бобина, която изпълнява функцията на излъчваща и на приемна. Освен с ключовия транзистор и демпфващия резистор, към нея е свързан и входният предусилвател чрез ограничаваща диодно резисторна схема, за да бъде предпазен от пика на обратното ЕДН (100-1000 V). След усилването, сигналът бива подложен на детекция чрез аналогови ключове (наричани също врати), управлявани от моновибратори (или микроконтролер), определящи закъснението на „пробата, строба”, спрямо втория фронт на напомпващия импулс, като това времезакъснение за първия строб е от порядъка на 30-80 micros, в зависимост от това с каква проводимост обект се очаква (в нископроводящите - станиол, солена вода и др., вихровите токове затихват бързо и отговорът е кратък - в границите на 10-30 micros). След това детектираният сигнал се интегрира, усилва се с постояннотокови усилватели и се подава за крайна обработка - визуална и звукова сигнализация.

Недостатъкът при този принцип е, че практически е невъзможно да се установи типът на метала в реални условия. Едно от решенията е съвместната работа на такъв уред заедно с магнитомерен сензор, създаден за точно такъв тип външни условия на работа.

Броят навивки се избира компромисно, според нужната чувствителност на датчика, теглото и себестойността му. Броят им може да варира от десетки до хиляди навивки. Разстоянието между диференциалните бобини 1 се определя според приложението на уреда - при регистриране на локални, слаби и близки деформации на полето то е малко и обратно, при отдалечени дислокации това разстояние е по-голямо. Разстоянието може да бъде над 1000 mm при някои разработки, като естествено по-голямото разстояние изисква и механично по-устойчива конструкция. В настоящия полезен модел се използва полимерна носеща тръба 4, с цел олекотяване на уреда, както и за намаляване количеството метал в него с цел намаляване на внасяните смущения в работещи наблизо други чувствителни апарати. За да се избегне въздействието на електростатичните полета, съпътстващи този полимерен корпус, се налага екранирането му с електростатичен екран 5, изработен от тънко метално фолио или проводим лак (напр. АС-06).

Звеното за баланс 7 позволява лесното и прецизно отстраняване на разликите в параметрите надаете бобини 1. Нискочестотният филтър 8 предпазва системата от смущения, предизвикани от силни изкуствени магнитни полета (напр. от високоволтови съоръжения и други апаратури, излъчващи силни, променливи магнитни полета- напр. импулсно-индукционен уред). Чрез ограничителя 9 се предпазва входният усилвател 10 от претоварвания по вход. Този усилвател е с голямо усилване, нискошумящ и минимален временен и температурен дрейф. Диференциращият усилвател 11 елиминира влиянието на постояннотоковите съставки. Прецизният двуполупериоден детектор 12 позволява индикиране на промяна в равновесието на двете диференциални бобини 1 при попадането им над или около съответния търсен метален обект и елиминира влиянието на посоката на вектора на полето. Праговите устройства (включени в блока компаратори 13 намаляват възможността за грешни сработвания на уреда.

Claims (11)

1. Претенции

   1. Уред с индукционен магнитомерен сензор, включващ най-малко една двойка диференциални бобини, поместени във вътрешността на уреда, всяка от които е снабдена с подходящ магнитопровод, а във вътрешността на уреда, между бобините с магнитопроводите, е разположена платка с електронни компоненти, като уредът в едната си част е свързан със захранващ кабел, характеризиращ се с това, че магнитомерният сензор включва двойката диференциални бобини (1), свързани към входа на нискочестотен филтър (8) чрез звено за баланс (7), чийто изход е свързан през ограничител (9) към усилвател (10), при което изходът на усилвателя (10) е свързан към входа на електронен блок, включващ последователно свързаните диференциращ усилвател (11), двуполупериоден детектор (12) и блок компаратори (13), а към блока компаратори (13) е подаден опорен сигнал от вторично детекторно устройство, задаващо нивото на задействане на уреда, като от блока компаратори (13) е изведен ключов изход, а от двуполупериодния детектор (12) е изведен аналогов изход, като всички елементи на схемата се захранват от електронен стабилизатор (14).
2. 2. Уред с индукционен магнитомерен сензор съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че диференциалните бобини (1) са цилиндрични соленоиди с подходяща нискокоерциетивна сърцевина (2) с голяма магнитна проницаемост.
3. 3. Уред с индукционен магнитомерен сензор съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че двете бобини (1) са с еднакви параметри и разположени в пространството с взаимо успоредни оси - разместени в равнината им или съвпадащи.
4. 4. Уред с индукционен магнитомерен сензор съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че разстоянието между двете диференциални бобини (1) е от 10 до 1000 mm.
5. 5. Уред с индукционен магнитомерен сензор съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че отстоянието между него и антената на вторичното детекторно устройство е от 10 до 1000 mm.
6. 6. Уред с индукционен магнитомерен сензор съгласно претенция 4, характеризиращ се с това, че включва и полимерна носеща тръба (4), в която са поместени бобините (1) и магнитната сърцевина (2).
7. 7. Уред с индукционен магнитомерен сензор съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че двойката диференциални бобини (1) са в магнитна връзка помежду си чрез изпълнение на магнитната сърцевина (2) от магнитно мек материал.
8. 8. Уред с индукционен магнитомерен сензор съгласно претенция 6, характеризиращ се с това, че полимерната носеща тръба (4) е екранирана с електростатичен екран (5).
9. 9. Уред с индукционен магнитомерен сензор съгласно претенция 8, характеризиращ се с това, че електростатичният екран (5) е от тънко метално фолио.
10. 10. Уред с индукционен магнитомерен сензор съгласно претенция 8, характеризиращ се с това, че електростатичният екран (5) е от проводим лак.
11. 11. Уред с индукционен магнитомерен сензор съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че всички негови елементи са поместени под електростатичния екран (5) и външното защитно покритие (6).