ИНДУКЦИОННЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ МЕТАЛЛОИСКАТЕЛЯ Российский патент 2005 года по МПК G01V3/11 

Изобретение относится к средствам обнаружения скрытых объектов из диамагнитных, парамагнитных и ферромагнитных материалов и непосредственно касается индукционных измерительных преобразователей для металлоискателей, используемых в магнитометрии, геологоразведке, археологии, при досмотре людей, проносящих через зону контроля скрытые металлические объекты, трассировании скрытых коммуникаций.

Известен индукционный измерительный преобразователь для металлоискателя, включающий катушку возбуждения, пару включенных встречно-последовательно соосных приемных катушек, симметрично расположенных своими центральными осями в плоскости, перпендикулярной к центральной оси катушки возбуждения (см. решение о выдаче патента по заявке СССР, №4796455 от 01 марта 1990 г.), причем приемные катушки по всей их длине расположены в пределах внутреннего контура катушки возбуждения.

Такой индукционный преобразователь обладает повышенной помехоустойчивостью, однако, как показали экспериментальные исследования, его выходной сигнал резко изменяется в пределах контура катушки возбуждения в зависимости от положения искомого объекта относительно ее центральной оси, а именно инвертируется (изменяет знак) уже на небольших расстояниях от этой оси.

Вследствие этого на практике, когда при поиске обычно неизвестно положение искомого объекта относительно центра измерительного преобразователя, идентификация материала искомого объекта (например, черный или цветной металл) значительно затрудняется и приобретает определенность лишь в центральной зоне с радиусом, составляющим примерно 1/3...1/2 от радиуса или расстояния от центральной оси до контура катушки возбуждения. Эффективная зона обнаружения составляет в таком случае лишь 0.1-0.2 от площади, охватываемой контуром катушки возбуждения. С учетом реального порога чувствительности, обусловленного остаточным уровнем помех и соотношением сигнал/помеха, эффективная зона обнаружения еще более сужается.

Наиболее близким к заявляемому является индукционный преобразователь, содержащий катушку возбуждения с ферромагнитным сердечником и, по крайней мере, пару включенных встречно-последовательно соосных приемных катушек, расположенных также соосно центральной оси катушки возбуждения. Приемные катушки укреплены на концах тонкой трубки из нержавеющей стали, установленной в сердечнике катушки возбуждения, коаксиально последнему, и отстоят от катушки возбуждения на расстоянии, превышающем ее длину (Журнал "Медицинская техника", №1, 1992 г., с.42-43).

Индукционный преобразователь работает с металлоискателем известного типа (Патент РФ №1827197), включающим генератор переменного тока, первый выход которого соединен с катушкой возбуждения. Выход двух приемных катушек, включенных градиентометрически, подключен через последовательно соединенные усилитель переменного напряжения, синхронный детектор и усилитель постоянного тока к стрелочному индикатору. Второй выход генератора переменного тока соединен со входом фазовращателя, выход которого подключен к управляющему входу синхронного детектора. Металлоискатель содержит также переключатель, параллельно соединенный первым и вторым контактами с регулировочным элементом фазовращателя, предварительно разделенным на две последовательно соединенные части, и соединение этих частей регулировочного элемента подсоединено к третьему контакту переключателя.

Однако такой индукционный измерительный преобразователь обладает недостаточной чувствительностью.

Известному индукционному преобразователю соответствует график изменения магнитного поля под воздействием объекта (фиг.1), измеряемого этим преобразователем в местах расположения приемных катушек.

Ферромагнитный сердечник отстоит от приемных катушек на расстоянии, определяемом длиной тонкой трубки, и используется в известной конструкции лишь для увеличения поля катушки возбуждения.

Объект намагничивается катушкой возбуждения, вследствие чего в нем возникает наведенный магнитный момент поле рассеяния от которого по оси индукционного измерительного преобразователя изменяется по закону

где r - расстояние от объекта (В.В.Никольский. Теория электромагнитного поля. М., Высшая школа, 1964 г.).

Как видно из графика (фиг.1), полезный сигнал этого индукционного преобразователя определяется из соотношения

Е=а(Н₁-Н₂),

где а - коэффициент преобразования для данного индукционного измерительного преобразователя.

Указанное расположение приемных катушек относительно ферромагнитного сердечника не позволяет использовать его для увеличения полезного сигнала, обеспечивающего повышение чувствительности.

Непосредственное же снабжение приемных катушек ферромагнитными сердечниками при воздействии на них постоянным неоднородным магнитным полем приведет к неодинаковому изменению их начальной магнитной проницаемости, то есть к разбалансу этих катушек (ложный сигнал), что потребует постоянной компенсации.

С учетом изложенного задача изобретения состоит в увеличении чувствительности индукционного измерительного преобразователя к измерению градиентов магнитного поля объекта обнаружения при снижении его габаритов.

Поставленная задача решается тем, что в индукционном измерительном преобразователе для металлоискателя, содержащем катушку возбуждения с ферромагнитным сердечником и, по крайней мере, пару включенных градиентометрически соосных приемных катушек, приемные катушки установлены коаксиально на катушке возбуждения, с возможностью перемещения и фиксации на ней, а длина ферромагнитного сердечника превышает диаметр катушки возбуждения.

При этом:

- диаметр каждой приемной катушки превышает ее длину;

- длина ферромагнитного сердечника превышает диаметр катушки возбуждения более чем в 10 раз;

- приемные катушки зафиксированы на катушке возбуждения в точках максимальной чувствительности преобразователя.

Расположение приемных катушек на катушке возбуждения с возможностью перемещения по ней позволяет предварительно определить точки максимальной чувствительности для данного индукционного преобразователя с последующей фиксацией приемных катушек в этих точках.

Поскольку ферромагнитный сердечник находится внутри катушки возбуждения, он принудительно перемагничивается, что исключает возможность разбаланса приемных катушек, и при расположении последних в местах максимальной чувствительности можно увеличить сигнал не менее чем в 10 раз.

Выполнение сердечника с длиной, превышающей диаметр катушки возбуждения более чем в 10 раз, также позволяет усилить магнитное поле, что повышает точность обнаружения.

Как видно из графиков (фиг.2 и 3), в случае расположения приемных катушек на катушке возбуждения с ферромагнитным сердечником в точках максимальной чувствительности, которые для данного индукционного преобразователя могут быть рассчитаны по методике (В.В.Дякин, В.А.Садовский "Дефектоскопия", №4, 1999 г., с.47-55) или определены экспериментально (причем практические результаты превышают расчетные из-за нелинейных свойств ферромагнитного материала сердечника), характер зависимости резко изменяется на протяжении сердечника и в сравнении с прототипом полезный сигнал будет равен

Расчеты и эксперименты показывают, что полезный сигнал Е' не менее чем на порядок превышает полезный сигнал Е известного измерительного индукционного преобразователя.

На фиг.1 представлен график изменения магнитного поля от объекта для известного индукционного измерительного преобразователя;

на фиг.2 - то же, для заявляемого индукционного измерительного преобразователя;

на фиг.3 представлен фрагмент графика фиг.2, соответствующий длине ферромагнитного сердечника;

на фиг.4 - фрагмент, иллюстрирующий изменение силовых линий магнитного поля заявляемого индукционного измерительного преобразователя под воздействием объекта;

на фиг.5 представлен заявляемый индукционный измерительный преобразователь в разрезе;

на фиг.6 - блок-схема металлоискателя.

Индукционный измерительный преобразователь для металлоискателя содержит катушку 1 возбуждения и, по крайней мере, пару включенных градиентометрически соосных приемных катушек 2 и 3. Приемные катушки 2 и 3 установлены коаксиально на катушке 1 возбуждения с возможностью перемещения и фиксации на ней. Катушка 1 возбуждения снабжена ферромагнитным сердечником 4, причем катушка 1 возбуждения намотана равномерно по всей его длине. При этом длина ферромагнитного сердечника 4 превышает диаметр катушки 1 возбуждения (фиг.5).

При этом диаметр каждой из приемных катушек 2 и 3 превышает ее длину.

Длина ферромагнитного сердечника 4 превышает диаметр катушки 1 возбуждения более чем в 10 раз. Приемные катушки 2 и 3 могут быть зафиксированы на катушке 1 возбуждения в точках максимальной чувствительности преобразователя, которые определяются экспериментально.

Графики изменения магнитного поля от объекта 5 поиска для заявляемого индукционного измерительного преобразователя приведены на фиг.2, 3 и 4.

Индукционный преобразователь согласно изобретению работает с металлоискателем известного типа аналогичным металлоискателю прототипа (фиг.6). Выводы измерительных катушек, включенных встречно и последовательно, подключены к выводам переменного резистора 6, подвижный контакт которого через предварительный усилитель 7 подключен к входу синхронного детектора 8. Выход синхронного детектора 8 через усилитель 9 подключен к индикатору 10. Первый и второй выходы генератора 11 подключены к выводам катушки 1 возбуждения, а третий выход через управляемый фазовращатель 12 подключен к управляемому входу синхронного детектора 8.

Индукционный измерительный преобразователь в составе металоискателя работает следующим образом.

Предварительно измерительный преобразователь настраивают, для чего его помещают в однородное внешнее переменное магнитное поле и с помощью переменного резистора 6 устанавливают нулевой сигнал на выходе индикатора 10. Затем помещают металлический объект 5 на заданном расстоянии от индукционного преобразователя по оси катушки 1 возбуждения и путем перемещения измерительных катушек 2 и 3 добиваются максимального сигнала на выходе индикатора 10. При определении точек максимальной чувствительности в однородном поле цикл повторяют. Измерительные катушки 2 и 3 закрепляют в этих точках L₁ и L₂ и тем самым производят настройку максимальной чувствительности измерительного преобразователя для заданного расстояния.

В процессе работы гармонический электрический сигнал генератора 11 преобразуется катушкой 1 возбуждения в переменное магнитное поле. Это поле воздействует на находящийся на определенном расстоянии в пределах контура катушки 1 возбуждения скрытый искомый объект 5, возбуждая в нем вихревые токи и соответствующее вторичное магнитное поле ( поле переизлучения ).

Вторичное магнитное поле наряду с полем катушки 1 возбуждения наводит в измерительных катушках 2 и 3 соответствующее переменное напряжение. Его величина, являющаяся выходным сигналом индукционного преобразователя, зависит при прочих равных условиях от величины, формы и материала искомого объекта 5 и места его нахождения, а фаза и соответствующий знак зависит от проводимости и магнитных свойств искомого объекта.

Выходной сигнал индукционного измерительного преобразователя через переменный резистор 6 поступает на вход предварительного усилителя 7 и далее на вход синхронного детектора 9. После синхронного детектирования сигнал усиливается усилителем постоянного тока 9 и подается на индикатор 10.

Таким образом, перемещая индукционный измерительный преобразователь, можно найти расположение скрытого объекта 5 по максимуму выходного сигнала, поскольку в этот момент объект поиска будет расположен по оси катушки 1 возбуждения. По величине выходного сигнала можно ориентировочно судить о размерах скрытого объекта 5. Высокая чувствительность индукционного преобразователя позволяет обнаруживать достаточно малые объекты 5 поиска.

Наличие управляемого фазовращателя позволяет работать в двух режимах. В режиме синфазного детектирования, когда компонента индуцированного магнитного момента, синфазная с намагничивающим полем, у ферромагнитного предмета меняет знак при возрастании частоты, а у неферромагнитного не меняет, можно определить материал объекта 5 поиска. В режиме квадратурного детектирования, когда квадратурная компонента магнитного момента всегда имеет один и тот же знак как для ферромагнитного предмета, так и для неферромагнитного, можно точно определить местонахождение скрытого искомого объекта.

Изобретение относится к средствам обнаружения скрытых объектов. Сущность: индукционный измерительный преобразователь содержит крышку возбуждения с ферромагнитным сердечником и, по крайней мере, пару включенных встречно-последовательно соосных приемных катушек. Приемные катушки установлены коаксиально на катушке возбуждения с возможностью перемещения и фиксации на ней. Длина ферромагнитного сердечника превышает ее диаметр. Диаметр каждой приемной катушки превышает ее длину. Длина ферромагнитного сердечника превышает диаметр катушки возбуждения более чем в 10 раз. Приемные катушки зафиксированы на катушке возбуждения в точках максимальной чувствительности преобразователя. Технический результат: повышение чувствительности при снижении габаритов. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Индукционный измерительный преобразователь для металлоискателя, содержащий катушку возбуждения с ферромагнитным сердечником и, по крайней мере, пару включенных встречно последовательно соосных приемных катушек, отличающийся тем, что приемные катушки установлены коаксиально на катушке возбуждения с возможностью перемещения и фиксации на ней, а длина ферромагнитного сердечника превышает ее диаметр.2. Индукционный измерительный преобразователь по п.1, отличающийся тем, что диаметр каждой приемной катушки превышает ее длину.3. Индукционный измерительный преобразователь по п.1 или 2, отличающийся тем, что длина ферромагнитного сердечника превышает диаметр катушки возбуждения более чем в 10 раз.4. Индукционный измерительный преобразователь по п.1 или 2, отличающийся тем, что приемные катушки зафиксированы на катушке возбуждения в точках максимальной чувствительности преобразователя.