Комбинированный металло-газоиндикатор Российский патент 2024 года по МПК G01V3/10 G01N27/10 

Изобретение относится к классу радиотехнических средств инженерной разведки и представляет собой радиоэлектронное устройство индивидуального пользования для поиска и обнаружения малоразмерных металлосодержащих и не содержащих металл взрывоопасных объектов с определением наличия взрывчатых веществ.

Аналогами изобретения являются комбинированные портативные поисковые устройства на основе конструктивного совмещения двух электромагнитных и/или иных методов дистанционного зондирования и диагностики сред.

Из российских таковыми являются: миноискатель комбинированный селективный двухканальный ППО-2И, производства ООО «Логис-Геотех» [1] и многоканальный миноискатель переносной ММП, производства ОАО «ТЗИА» [2]. Аналоги включают в себя двухканальный датчик в виде диэлектрической рамки, шарнирно соединенной с телескопической штангой, коммутационный кабель внутри штанги, блок электронной обработки сигналов с комплектом электропитания, систему звуковой и/или видеоиндикации. Отличаются аналоги друг от друга, главным образом, конструктивно.

Известный комбинированный миноискатель ППO-2И основан на комплексировании в одном устройстве двух косвенных методов дистанционного подповерхностного зондирования и диагностики - индукционного и георадиолокационного; выполнен складной неразборной конструкцией, в которой датчик выполнен в виде круглой диэлектрической рамки с размещенными на ней индукционным и радарным приемо-излучающими зондами; общий блок аналого-цифровой обработки сигналов с датчика, блок управления и индикации в виде ручки, расположены на верхнем колене штанги; электрическое соединение коммутационного кабеля с датчиком и блоком обработки сигналов осуществляется распайкой; конструкция снабжена ручкой и подлокотником для оператора. Положительный технический результат: расширение функциональных возможностей - поисковое устройство может обнаруживать как металлосодержащие (индукционным каналом), так и не содержащих металл (геолокатором) объекты в различных вмещающих средах; селекция объектов по взрывоопасности осуществляется по косвенным признакам обнаруженных объектов - амплитудно-временным характеристикам вторичных электромагнитных полей; по габаритам и форме предметов поиска.

Недостатками конструкции аналогов этого типа являются: сложная интерпретация индикации границ объекта поиска; не определяется наличие взрывоопасных веществ; наличие помех от поверхностей контролируемых вмещающих сред; велика масса устройства (≈3,3 кг); металлоемкая конструкция.

Известный аналог многоканальный миноискатель переносной (ММП) [2] основан на совмещении индукционного и радиоволнового принципов зондирования, в отличие от ППО-2И [1], на диэлектрической прямоугольной рамке содержит индукционный и радиоволновый приемо-излучающие зонды. При этом радиоволновой зонд выполнен в виде двух противофазно включенных вибраторных излучающих антенн и двух приемных, симметрично расположенных между ними и дифференциально включенных. Конструкция снабжена панелью управления, видео- и аудиоиндикациями. Положительный технический результат - уменьшение помех от поверхности контролируемых сред за счет дифференциального включения радиоволновых излучающих и приемных антенн; более четкое обнаружение границ объектов поиска; относительная компактность и вариабельность рабочей конфигурации. Принципиальным недостатком, как и в предыдущем случае, является невозможность индикации наличия и типа взрывоопасных веществ в объектах поиска, металлоемкая конструкция; отсутствует дискриминация металлов по проводимости (черный, цветной), велика масса устройства в рабочей конфигурации (≈4,7 кг).

Зарубежные аналоги, как и отечественные типа ППО-2И, основаны на комплексировании индукционного и георадарного принципов зондирования, они более совершенны в технологическом отношении. Характерными зарубежными аналогами являются комбинированные миноискатели типа Mine Hound VMR3, VMR4 фирмы Vallon [3], AN/PSS-M фирмы L-3 СуТеrrа [4]. Во всех зарубежных аналогах используются рамочные круглые датчики, конструктивно совмещающие индукционный и георадиолокационный принципы подповерхностного зондирования; датчики шарнирно соединены с телескопической штангой, на противоположном конце штанги размещен общий блок обработки сигналов с датчика. Устройства снабжены ручкой с панелью управления и подлокотником с фиксатором. Коммутационные кабели, соединяющие датчик с блоком обработки сигналов, размещены внутри и снаружи штанги; индикация акустическая и светодиодная. Масса изделий в рабочей конфигурации варьируется в пределах 3,5-4,5 кг. Практически все известные зарубежные аналоги предназначены для гуманитарной инженерной разведки всех типов мин но косвенным признакам.

Положительный технический результат зарубежных аналогов - повышена вероятность обнаружения малоразмерных объектов поиска не содержащих металл; конструкции из композитных материалов карбона и стеклопластика; портативность и эргономичность конструкций.

Недостатками перечисленных зарубежных аналогов являются: невозможность индикации и идентификации взрывоопасных веществ в обнаруженных объектах; наличие строго фиксированных ручки оператора и подлокотника увеличивает массогабариты искателя и ограничивает конфигурацию рабочего положения; необходима калибровка изделий для каждого типа почв; коммутационные провода снаружи штанги.

Наиболее близким к аналогам по физическим принципам работы и техническим решениям является принятый на снабжение многоканальный миноискатель переносной ММП (совместного производства КБ «Проект» и «ТЗИА», г. Томск), выбранный в качестве прототипа [2].

ММП имеет два независимых канала: индукционный и радиоволновый конструктивно совмещенные в одном приборе. По существу, это два миноискателя, каждый из которых имеет свое поисковое устройство и аналого-цифровую схему обработки сигналов.

Прототип ММП представляет собой складную разборную моноконструкцию, в которой диэлектрический рамочный датчик прямоугольной формы шарнирно соединен с телескопической дюралюминиевой штангой круглого сечения, нижнее колено штанги диэлектрическое; блок электронной обработки сигналов с источником электропитания и системой звуковой индикации размещен в специальной сумке оператора; коммутационный кабель, соединяющий электрически датчик и блок обработки сигналов, размещен внутри штанги с выходом наружу для подключения к блоку обработки сигналов.

Конструктивные особенности прототипа: в прямоугольном плоском датчике конструктивно размещены две передающие и две приемные СВЧ-вибраторные антенны радиоволнового канала, а по периметру рамки датчика в специальном пазе размещены генераторная и приемная рамки индукционного канала. Передающие антенны включены противофазно, приемные антенны включены дифференциально, что обеспечивает отсутствие сигнала-помех от однородных вмещающих контролируемых сред. Штанга дюралюминиевая состоит из четырех колен круглого сечения раздвигается на необходимую длину и фиксируется цанговым зажимом. Корпус блока обработки сигналов выполнен из дюралюминия в форме прямоугольной коробки с крышкой, на лицевой стороне которой размещены переключатели режимов работ, ручка регулировки чувствительности, гнезда для подключения коммутационного кабеля и головных телефонов, разъем для подключения внешнего источника тока. В конструкции нет ручки-держателя и подлокотника. Положительный технический результат конструкции прототипа - в индикации и идентификации как металлосодержащих, так и диэлектрических, в том числе особо опасных, объектов поиска по косвенным признакам (массогабаритам и по электрическим параметрам); в уменьшении помех от однородных вмещающих сред и увеличение точности фиксации границ и определения размеров объектов поиска за счет дифференциальной конструкции приемо-излучающих антенн радиоволнового канала; в увеличении вариабельности позиций в рабочей конфигурации устройства, за счет отсутствия подлокотника и размещения блока обработки сигналов в специальной сумке.

Основные недостатки технических решений прототипа, ухудшающими его поисковые характеристики, являются: невозможность индикации и дискриминации опасных веществ в обнаруженных объектах, обусловленная косвенным принципом диагностики, используемых индукционного и радиоволнового каналов зондирования; отсутствие дублирующей синхронной видеоиндикации габаритов обнаруженных объектов

Технической задачей изобретения модели «Комбинированный металло-газоиндикатор» является создание устройства поиска, позволяющего обнаруживать не только металлосодержащие взрывоопасные объекты, но и определять в них наличие и тип взрывчатого вещества. При этом конструкция изделия должна быть компактной с индикацией обнаружения металлосодержащих элементов и наличия паров особоопасных и/или токсичных веществ (например, Н₂, СН₄, С₄Н₁₀, С₃Н₈).

Решение поставленной технической задачи осуществлено конструктивным совмещением электромагнитного, в частности, индукционного металлоискателя с полупроводниковым резистивным газоанализатором.

Заявленное устройство «Комбинированный металло-газоиндикатор» выполнено в виде совмещенной складной разборной конструкции индукционного металлоискателя и полупроводникового резистивного газоанализатора особоопасных взрывоопасных веществ Н₂, СН₄, С₄Н₁₀, С₃Н₈. Конструкция включает в себя (фиг. 1): переносной индукционный металлоискатель в составе рамочного прямоугольного датчика размером (240×120×12) (1), шарнирно соединенного с нижним концом телескопической штанги (4), блока обработки сигналов (5) на верхнем конце штанги, сменного блока электропитания, коммутационного кабеля внутри штанги и блока полупроводникового резистивного газоанализатора (2), размещенного на нижнем колене телескопической штанги Газоанализатор выполнен в диэлектрическом корпусе (2), снабженном воздухозаборником на нижнем торце корпуса и гермовводом подключения на верхнем торце блока внешнего управления и электропитания (3) со звуковой и световой индикацией. Отличительные конструктивные особенности изобретения:

1. В одном поисковом устройстве конструктивно совмещены два независимые поисковые устройства - индукционный металлоискатель и полупроводниковый резистивный газоанализатор паров особоопасных веществ (Н₂, СН₄, С₄Н₁₀, С₃Н₈) и/или токсичных газов.

2, Портативный газоанализатор выполнен в диэлектрическом корпусе с минимальным содержанием металла на четырех сменных резистивных газосенсорах с приточно-вытяжной вентиляцией воздуха, с аналого-цифровой обработкой сигналов и контроллером.

3. На верхней торцевой панели корпуса газоанализатора размещен гермоввод подключения блока внешнего управления. Блок внешнего управления конструктивно выполнен отдельным прямоугольным корпусом (80×50×30) мм с размещенными на лицевой панели светодиодной индикацией, кнопкой вкл/выкл, ручками регулировки чувствительностью для каждого вида газов; подключается к газоанализатору посредством коммутационного кабеля необходимой длины. В зависимости от рабочей ситуации блок внешнего управления газоанализатора может быть размещен на телескопической штанге металлоискателя, в руке оператора или в специальной сумке на поясе оператора.

4, Электромагнитная совместимость индукционного принципа зондирования и газоанализаторной диагностики в одном устройстве обеспечена минимальным содержанием металла в конструкции газоанализатора и выбором места его размещения на минимальном расстоянии (от 10 до 12 см) от нижнего конца штанги, при котором газоанализатор электромагнитно не влияет на индукционный датчик металлоискателя.

Частным примером осуществления заявленного изобретения является «Комбинированный металло-газоиндикатор» модульной конструкции, выполненный по 3D печатной технологии из пластика PLA и представленный в развернутом для работы (фиг. 1) и в разобранном (фиг. 2) видах. Конструкция состоит из селективного индукционного металлоискателя по патенту [5] и, размещенного на 10-12 см выше конца нижнего колена штанги, полупроводникового резистивного газоанализатора с выносным блоком управления (фиг. 1). Селективный индукционный металлоискатель выполнен в виде складной разборной конструкции (фиг. 2) и включает в себя прямоугольный рамочный датчик размером (240×120×12) мм из диэлектрика (1), устройство герметичного шарнирного соединения датчика со штангой (6), телескопическую четырехколенную штангу (4), с размещенным внутри коммутационным кабелем, блок электронной обработки сигналов (5) со сменным блоком электропитания (7). Коммутационный кабель подключен к датчику посредством распайки проводов в распаячной нише (8) на боковой поверхности одной из проушин шарнирной вилки, а с противоположной стороны - к блоку обработки сигналов (5) посредством быстроразъемного соединения в стык вилка-розетка (9, 10). Газоанализатор выполнен в виде диэлектрического прямоугольного корпуса (2) с размещенными внутри: четырьмя сменными резистивными газовыми сенсорами на четыре типа паров взрывоопасных веществ (Н₂, СН₄, С₄Н₁₀, С₃Н₈) принудительным воздухозаборником и вентиляцией, монтажной аналого-цифровой платой обработки сигналов, сменным блоком электропитания 12 В и контроллером; на верхней торцевой панели корпуса газоанализатора (11) размещены разъем подключения блока внешнего управления (3) со светодиодной и звуковой индикациями, ручки регулировки пороговой чувствительностью для каждого типа газов и кнопкой вкл/выкл.

Отличительные особенности частной конструкции изобретения комбинированный металло-газоиндикатор:

- крепеж газоанализатора на нижнем колене штанги индукционного металлоискателя быстроразъемный на пластиковых зажимных фиксаторах (12, 13) легко устанавливается в рабочей конфигурации и убирается в нерабочем положении;

- корпус газоанализатора прямоугольный (150×40×30) мм из диэлектрика размещен вдоль штанги на нижнем колене штанги с помощью пластиковых зажимных фиксаторов на минимально возможном расстоянии от 10 до 12 см от конца, торцевые концы корпуса перфорированы для забора воздуха;

- блок внешнего управления и индикации газоанализатора размещен в специальной сумке на поясе или на руке оператора;

- индукционный металлоискатель выполнен блочной разборной конструкцией по патенту [5].

Частная реализация изобретения «Комбинированный металло-газоиндикатор», в отличие от прототипа и аналогов, обладает функциональными и конструктивными преимуществами: позволяет обнаруживать и индицировать как металлосодержащие малоразмерные объекты по косвенным признакам, так и наличие и тип особоопасных и/или токсичных веществ в обнаруженных объектах по прямым химическим признакам, этим самым увеличена вероятность идентификации взрывоопасных объектов; конструкция блочно-разборная симметричная без ручки оператора и подлокотника, что существенно уменьшает массу изделия и расширяет вариабельность возможных рабочих положений. Основные конструктивные элементы металлоискателя и газоанализатора -блоки обработки сигналов и электропитания, телескопическая штанга с коммутационным кабелем внутри, датчик металлоискателя и газоанализатор с блоком внешнего управления являются, по существу, самостоятельными и заменяемыми элементами, которые соединяются в единую конструкцию быстро разъемными соединениями.

Металло-газоиндикатор работает следующим образом. Физической основой работы 1 фибора являются импульсный метод переходных процессов в индукционном металлоискателе и резистивный метод диагностики в полупроводниковом газоанализаторе, суть которых заключается: в возбуждении вихревых токов в металлосодержащих объектах, в регистрации и измерении амплитудо-временных характеристик затухающего вторичного поля (поля вихревых токов) и в индикации по ним наличия, локализации и селекции по типу и массо-габаритам обнаруженных металлосодержащих объектов; в индикации и измерении изменения омического сопротивления резистивных сенсоров газов взрывоопасных веществ в близи обнаруженных металлосодержащих объектов. При сканировании над контролируемой средой (грунтом) металлоискатель по косвенным признакам индицирует наличие, и тип металлосодержащего объекта; газоанализатор непосредственно в масштабе реального времени (1-5 сек) фиксирует наличие, определяет концентрацию и тип паров особоопасных, например, взрывоопасных веществ в непосредственной близости с объектом поиска, Металло-газоиндикатор из транспортного положения приводится в рабочее положение за 5-10 сек; тумблером «вкл/выкл» на лицевой панели металлоискателя и кнопкой на газоанализаторе включаются соответствующие источники электропитания и через 5-7 сек прибор готов к работе. Методика работы с прибором заключается в равномерном сканировании датчиком металлоискателя с размещенным на нем газоанализатором над контролируемом участком вмещающей среды (грунт) на высоте 2-3 см от поверхности со скоростью 0,5-1,0 м/сек и равномерном продвижении в выбранном направлении, Металлоискатель имеет два режима работ «поиск» и «уточнение». Сигнал с приемной катушки поступает в блок электронной обработки сигналов, где обрабатывается по заданному алгоритму. В режиме «поиск» индикация металлоискателя фиксирует обнаружение металлосодержащего объекта поиска непрерывным частотно зависимым звуковым сигналом от 200 Гц до 3 КГц над центром объекта. В режиме «уточнение» осуществляется селективность обнаруженных металло-объектов по трем условным классам частотно зависимой звуковой индикацией обнаружения: 200 Гц - мелкий, 400 Гц - средний и 800 Гц - крупный объект. При появлении сигнала обнаружения оператор уточняет местоположение металлического объекта и включает газоанализатор, продолжая сканировать датчиком над объектом. При наличии паров особоопасных веществ подаются соответствующие звуковой и видеосигналы об индикации, типе и концентрации паров опасных веществ. По желанию оператора газоанализатор может быть выключенным при непрерывной синхронной работе с металлоискателем.

Конструкция заявленного изобретения может быть реализована с помощью традиционной пресс-литьевой технологии. Но в большей степени технология изготовления изделия адаптирована к технологии 3D печати из композитных материалов типа ABA, PLA и др.

Совокупность существенных конструктивных особенностей изобретения обуславливает следующий положительный технический результат и преимущества по сравнению с аналогами и прототипом - расширены функциональные возможности и улучшены эксплуатационные характеристики устройства:

1. появилась возможность оперативного дистанционного обнаружения и идентификации металлосодержащих взрывоопасных устройств во вмещающих средах как по массогабаритным характеристикам обнаруженного металла, так и по наличию, концентрации и типу паров содержащегося в них взрывчатого вещества. Этим самым повысилась достоверность обнаружения взрывоопасных объектов и расширены функциональные возможности индукционных поисковых устройств;

2. обеспечена возможность частного выбора конфигурации работы с устройством с использованием режимов включения и выключения газоанализатора. Кроме того, быстросъемное крепление газоанализатора позволяет при необходимости его снятие и самостоятельное использование в качестве газоанализатора в различных поисковых ситуациях,

3. технология изготовления комбинированного металло-газоиндикатора адаптирована к традиционным Российским технологиям производства с использованием современной аддитивной 3D печатной технологии из композитных материалов.

Лабораторные испытания макета частной реализации комбинированного металло-газоиндикатора показали, что данная конструкция является универсальной и перспективной для промышленного производства комбинированного металло-газоиндикатора для целей инженерной разведки с индикацией металлосодержащих элементов и паров взрывоопасных и/или токсичных веществ типа Н₂, СН₄, С₄Н₁₀, С₃Н₈ с усредненной чувствительностью от 10^-10 до 10^-9 г/м³.

Несмотря на очевидность и простоту комбинированного устройства, в открытой печати не найдены сообщения о создании аналогичных поисковых устройств. Предложенное техническое устройство, на наш взгляд, обладает всеми необходимыми критериями изобретения. Именно:

- комбинированный металло-газоиндикатор в совокупности с ограничительными и отличительными признаками формулы изобретения является новым для общеизвестных поисковых устройств, не обнаружен в публикациях и, следовательно, соответствует критерию «новизна»;

- совокупность отличительных признаков формулы изобретения не известна на данном уровне развития радиотехнических поисковых переносных устройств и не следует общеизвестным правилам их создания, что доказывает соответствие критерию «изобретательский уровень»;

- реализация комбинированного металло-газоиндикатора не представляет никаких конструкторско-технологических трудностей, следовательно, соответствует критерию «промышленная применяемость».

Используемые источники и литература

1, Миноискатель комбинированный селективный двухканальный ППО-2И [Электронный ресурс]: Техника для спецслужб / Бюро научно-технической информации, - UR.L: http://1ogsуs.ru/minoiskatel-kombinirovannуj-selektivnyi-dvuhkanalnyj-ppo-2i/

2, Многоканальный переносной миноискатель ММП [Электронный ресурс]: Энциклопедия / Минобороны РФ, - URL:

https://eng.mil. ru/en/mpc/equipment/more.htm?id=12038447@morfMilitarvModel

3, VMR3, VMR4 «Minehound» (Майнхаунд) - двухсенсорный детектор [Электронный ресурс]: Техника для спецслужб / Бюро научно-технической информации. - URL: https://www.vallon.de/ru/metal-detectors/vmr3-dual-sensor-detector-minehound-ru

4, Комбинированный миноискатель AN/PSS-14 Техника для спецслужб / Бюро научно-технической информации, - URL: http://radiосоm-review.blogspot.соm/2015/10/1-3-cyterra-anpss-14/html

5. Патент RU 188894 U1, МПК G01V 3/11 (2006,01) Дата подачи заявки: 18.09.2018, Опубликовано: 29.04.2019, Бюл. №13, Портативный индукционный металлоискатель, Донченко В.А., Замбалов С.Д., Ивонин И.В., Парватов Т.Н., Потекаев А.И., Светличный В.А., Якубов В.П., Яковлев И.А., Яковлева С.В. Патентообладатель: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ, НИ ТГУ) (RU).

Изобретение может быть использовано для обнаружения и индикации как наличие металла, так и паров взрывоопасных веществ и/или токсичных газов. Комбинированный металло-газоиндикатор согласно изобретению включает полупроводниковый резистивный газоанализатор и индукционный металлоискатель в составе рамочного датчика, шарнирно соединенного с телескопической штангой, блока электронной обработки сигналов с электропитанием, коммутационного кабеля внутри штанги, аудио и видео индикации, при этом газоанализатор выполнен в диэлектрическом корпусе цилиндрической формы, перфорирован на торцах, размещен на нижнем колене штанги; содержит измерительную камеру с четырьмя сменными резистивными сенсорами, приточно-вытяжную вентиляцию, аналого-цифровой преобразователь с контроллером; на лицевой панели корпуса размещен гермоввод подключения выносного блока внешнего управления и электропитания, снабженного видео индикацией, ручками регулировки чувствительностью и кнопкой вкл/выкл. Изобретение позволяет обнаруживать не только металлосодержащие взрывоопасные объекты, но и определять в них наличие и тип взрывчатого вещества. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Комбинированный металло-газоиндикатор, включающий в себя полупроводниковый резистивный газоанализатор и индукционный металлоискатель в составе рамочного датчика, шарнирно соединенного с телескопической штангой, блока электронной обработки сигналов с электропитанием, коммутационного кабеля внутри штанги, аудио и видео индикации, отличающийся тем, что газоанализатор выполнен в диэлектрическом корпусе цилиндрической формы, перфорирован на торцах, размещен на нижнем колене штанги; содержит измерительную камеру с четырьмя сменными резистивными сенсорами, приточно-вытяжную вентиляцию, аналого-цифровой преобразователь с контроллером; на лицевой панели корпуса размещен гермоввод подключения выносного блока внешнего управления и электропитания, снабженного видеоиндикацией, ручками регулировки чувствительностью и кнопкой вкл/выкл.

2. Комбинированный металло-газоиндикатор по п. 1, отличающийся тем, что газоанализатор устанавливается на минимальном расстоянии от нижнего конца штанги, при котором газоанализатор электромагнитно не влияет на индукционный датчик.