СПОСОБ БЕСКОНТАКТНОГО СЕЛЕКТИВНОГО ОБНАРУЖЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИМПУЛЬСНО-РЕЗОНАНСНО-ВИХРЕТОКОВОГО МЕТОДА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2024 года по МПК G01V3/11 

Изобретение относится к области физики и геофизики, археологии в области детектирования токопроводящих и ферромагнитных предметов в магнитопроницаемых твердых, сыпучих или жидких средах, в т.ч. в грунте, дорожном покрытии, бетоне, морской воде, одежде и других магнитопроницаемых средах, в подводных или воздушных условиях работы при любом климате.

Из уровня техники известен способ работы многочастотного металлоискателя (патент на изобретение США № 10989829, МПК G01V 03/10, H01F 07/06, опубл. 27.04.2021 г.), содержащего приводную катушку, предназначенную для создания электромагнитного поля в продукте, и по меньшей мере одну детекторную катушку, предназначенную для обнаружения колебаний магнитного поля. поле, создаваемое металлическими частицами, присутствующими в продукте, и блок многочастотного передатчика, содержащий преобразователь с множеством приводных переключателей, которые приводятся в действие контроллером привода в соответствии с инструкциями по эксплуатации таким образом, что приводные переключатели попеременно пропускают управляющий ток через приводную катушку, чтобы генерируемое электромагнитное поле имело две или более частотных составляющих.

Наиболее близким техническим решением является многочастотный металлоискатель и способ идентификации металлической цели (патент на изобретение Китая №113900148, МПК G01V 03/10, G01V 03/38, опубл. 07.01.2022 г.), содержащий модуль контроллера, модуль усиления мощности, модуль передающей катушки, модуль приемной катушки, модуль малошумящего усиления, модуль аналого-цифрового преобразования, периферийный модуль.

В соответствии со способом идентификации металлической цели, предусмотренным изобретением, выполняются следующие этапы:

этап 1: передача многочастотных сигналов, а именно модуляция путем принятия сигналов прямоугольной формы с различными частотами и коэффициентами заполнения для генерирования требуемых многочастотных передающих сигналов;

этап 2: формирование управляющего сигнала с использованием таймера и управление аналого-цифровым преобразователем для получения принятого сигнала напряжения с заданной частотой дискретизации;

этап 3: демодуляция собранных принятых сигналов, извлечение характеристических величин различных частот, выделение двух характеристических величин каждой частоты и объединение характеристических величин каждой частоты для создания характеристического вектора;

этап 4: определение модуля характеристического вектора, сравнение модуля с пороговым значением и, когда модуль характеристического вектора больше порогового значения, указание на наличие металлической мишени и выполнение следующий шаг; когда модуль характеристического вектора меньше порогового значения, что указывает на то, что металлическая цель не обнаружена, игнорирование характеристического вектора и переход к следующему периоду сбора данных;

этап 5: вычисление значений вероятности, принадлежащих всем категориям металлов, в соответствии со значениями всех элементов в векторе признаков;

этап 6: и выбор максимального значения вероятностных значений всех категорий металлов, где категория металла, соответствующая максимальному значению, является категорией обнаруженного металла, и отображение, и сигнализация результата обнаружения.

Недостатком известного решения является анализ только двух выделенных характеристических величин каждой частоты и объединение характеристических величин каждой частоты для создания характеристического вектора. В этом случае интегрируются в одну величину множество физических характеристик измеряемого сигнала. Что требует в дальнейшем сложной цифровой обработки сигнала для улучшения соотношения сигнал шум и выделения полезной составляющей сигнала. Также метод анализа частоты и амплитуды сигнала характерен для балансных типов металлоискателей, при балансном принципе работы проводимость грунта смещает амплитудный баланс излучающей и приемной катушки и уменьшает чувствительность мелким металлическим объектам на физическом уровне, за счет повышенного фонового сигнала возникающего в приемной катушке при отражении его от сильноминерализованного грунта.

Применение двух катушек излучающей и приемной усложняет производство, увеличивает себестоимость и время производства, требуется высокая квалификация рабочих для настройки баланса катушек. Также снижается чувствительность прибора в минерализованных грунтах, так как наведенный отраженный электромагнитный сигнал от грунта изменяет баланс между приемной и передающей катушками, что приводит к уменьшению уровня полезного сигнала от металлических объектов и сокращает глубину обнаружения. Наличие синхронного детектора вносит шумы и искажения в полезный сигнал в процессе переключения полярности и ведет к удорожанию конструкции и уменьшению ее надежности, увеличивая число электронных компонентов.

Техническая задача заявляемого изобретения заключается в исключении ложных сигналов от неметаллических проводящих электрический ток объектов из полезного сигнала, определении типа металла объекта независимо от его формы и отдаления, повышение чувствительности металлоискателя.

Техническим результатом изобретения является повышение точности определения типа металлов.

Технический результат достигается тем, что способ бесконтактного селективного обнаружения металлических объектов с использованием импульсно-резонансно-вихретокового метода включает последовательную генерацию питающих катушку импульсов разной длительности в интервале частот от 1 Гц до 1 кГц с заполнением импульсами заданной частоты в интервале значений от 1 кГц до 1 МГц, с изменением частоты в каждой пачке импульсов и без заполнения, прекращение подачи питания на катушку после завершения процесса генерации пачки импульсов или импульса без заполнения, измерение приращения длительности фронта спада электрического тока импульса самоиндукции в катушке от отраженного сигнала металлическим объектом от незаполненного импульса Т1 и приращения длительности фронта спада электрического тока импульса самоиндукции в катушке от отраженного сигнала металлическим объектом после генерации импульса с заполнением частотой, при которой обнаружен максимальный сигнал от объекта, Т2.

Также технический результат достигается тем, что способ бесконтактного селективного обнаружения металлических объектов с использованием импульсно-резонансно-вихретокового метода включает последовательную генерацию питающих катушку импульсов одинаковой длительности в интервале частот от 1 Гц до 1 кГц с заполнением импульсами заданной частоты в интервале значений от 1 кГц до 1 МГц с изменением частоты в каждой пачке импульсов и без заполнения, импульсов разной длительности с заполнением импульсами заданной частоты и без заполнения, прекращение подачи питания на катушку после завершения процесса генерации пачки импульсов или импульса без заполнения, измерение приращения длительности фронта спада электрического тока импульса самоиндукции в катушке после генерации импульса без заполнения большой длительности Т1 и малой длительности Т4, приращения длительности фронта спада электрического тока импульса самоиндукции в катушке после генерации импульса с заполнением частотой при которой обнаруживается максимальный сигнал от объекта Т2, определение отношения уровня сигнала при импульсе малой длительности к уровню сигнала при импульсе большой длительности Т3=T4/T1.

Способ обнаружения металлических объектов согласно настоящему изобретению включает оценку электрической проводимости, магнитной проницаемости и индуктивности металлических объектов, находящихся в зоне действия поискового датчика методом измерения энергетической характеристики переходного процесса всего фронта спада импульса самоиндукции измерительной катушки индуктивности или его части, при различных длительностях, и различном частотном заполнении импульсов питающего напряжения катушки индуктивности. Спад фронта импульса самоиндукции содержит включенные энергетические составляющие, характеризующие металлические объекты, находящиеся в зоне действия датчика и переизлучающие принятое электромагнитное поле. Энергетический вклад переизлученных сигналов характеризуется добавленной длительностью и амплитудой спада фронта импульса самоиндукции. В данном режиме работы фоновые наведенные сигналы не влияют на чувствительность металлоискателя.

Далее изобретение поясняется следующими чертежами:

Фиг.1. Электрическая схема эквивалента металлического объекта;

Фиг.2. График, иллюстрирующий генерацию импульсов одинаковой длительности с постоянной частотой и фронт спада импульса самоиндукции;

Фиг.3. График, иллюстрирующий генерацию импульсов одинаковой длительности с заполнением импульсами заданной частоты и изменением частоты в каждой пачке импульсов частотой и фронт спада импульса самоиндукции;

Фиг.4. График, иллюстрирующий генерацию импульсов разной длительности и фронт спада импульса самоиндукции;

Фиг.5 График, иллюстрирующий последовательную генерацию импульсов одинаковой длительности с заполнением импульсами высокой частоты и без заполнения и фронт спада импульса самоиндукции;

Фиг.6. График, иллюстрирующий последовательную генерацию импульсов с заполнением импульсами высокой частоты и без заполнения, и генерацию импульсов разной длительности и фронт спада импульса самоиндукции;

Фиг.7. Пример графического отображения уровня сигнала с отображением типа металла.

Для обнаружения металлических объектов и определения их типа металла или сплава датчиком металлоискателя производится генерация импульсов одинаковой длительности, и, или импульсов разной длительности при постоянной частоте и, или переменно меняющейся частоте следования. Также используется генерация импульсов моногармонического сигнала, содержащего 1 гармонику для каждого импульса. Катушкой металлоискателя излучается импульсное переменное электромагнитное поле вызывающее возникновение, в металлических предметах находящихся в зоне действия датчика, внутренних электрических переменных токов, которые замыкаясь на активное электрическое сопротивление металла объекта, преобразуются во вторичное переменное магнитное поле переизлучаемое объектом.

После завершения генерации осуществляется измерение длительности фронта спада электрического тока в катушке индуктивности датчика металлоискателя до определенного заданного уровня.

Вторичное переменное магнитное поле металлического объекта преобразуется в катушке металлоискателя в электрический ток. Определение величины наведенного электрического тока переменным магнитным полем переизлученного металлическим объектом происходит путем измерения длительности фронта спада электрического тока в катушке индуктивности металлоискателя до определенного заданного уровня, после прекращения подачи питающих импульсов или импульса на нее.

Чем крупнее металлический объект находится в зоне действия катушки металлоискателя, тем большей напряженности переменное магнитное поле он переизлучит, тем больший ток будет наведен в катушке индуктивности металлоискателя, и тем больше длительность фронта спада электрического тока в катушке индуктивности после прекращения генерирующего импульса или импульсов будет зафиксирована.

И наоборот, чем меньше металлический объект, тем меньше наведенный ток от переотраженного сигнала в катушке прибора и меньше длительность фронта спада.

Также величина наведенного электрического тока в катушке металлоискателя от сигнала переотраженного металлическим объектом зависит от дальности расположения металлического объекта от катушки металлоискателя. Чем дальше находится металлический объект, тем меньше напряженность переменного электромагнитного поля генерируемого датчиком металлоискателя воздействует на него, и тем меньший переменный электрический ток возникает внутри металла объекта и тем меньше переизлученное металлическим объектом переменное магнитное поле, и тем меньше электрический ток наводимый в катушке металлоискателя от переизлученного переменного магнитного поля металлического объекта и тем меньше меняется длительность спада электрического тока в катушке металлоискателя после прекращения генерации импульсов или импульса, тем меньше уровень сигнала от объекта.

И наоборот чем ближе металлический объект, тем большая напряженность переменного электромагнитного поля генерируемого датчиком металлоискателя воздействует на него. и тем больший переменный электрический ток возникает внутри металла объекта, и тем больше переизлученное металлическим объектом переменное магнитное поле, и тем больше электрический ток, наводимый в катушке металлоискателя от переизлученного переменного магнитного поля металлического объекта и тем больше меняется длительность спада электрического тока в катушке металлоискателя после прекращения генерации импульсов или импульса, тем больше уровень сигнала от объекта.

Электрическая схема эквивалента металлического объекта приведена фиг.1, где Ro - внутреннее активное электрическое сопротивление металла, Lo - индуктивная составляющая определяемая формой и объемом металлического объекта, Mo - магнитная проницаемость металла или сплава объекта, Co - электрическая емкость между металлическим объектом и грунтом, характеризуется площадью контакта объекта и грунта, толщиной и диэлектрическими свойствами оксидов покрывающих объект и изолирующих его от грунта, проводимостью грунта, G - электропроводность грунта, заземляющая способность.

Электромагнитные импульсы катушки индуктивности датчика облучают металлический объект, создавая в нем вихревые токи. Под действием внутренних вихревых токов объекта энергия реактивной мощности сначала накапливается, а затем высвобождается в виде магнитного поля, которое достигает измерительной катушки индуктивности и наводит в ней электрический ток, вызывающий рост длительности фронта спада электрического тока в катушке при отключении генерации сигнала.

В работе металлоискателя используются следующие методы определения металлических объектов:

1. Метод определения электрической проводимости металлического объекта

При генерации питающих катушку импульсов (A) одинаковой длительности с постоянной частотой, катушка индуктивности металлоискателя излучает переменное электромагнитное поле с характеристиками переходного процесса вызывающее возникновение электрического тока в металлическом объекте находящимся в зоне достаточной напряженности магнитного поля катушки, вблизи катушки.

Наведенный электрический ток с характеристикой переходного процесса замыкаясь на активное электрическое сопротивление металла объекта воспроизводит переменное магнитное поле с характеристикой переходного процесса, которое наводит переменный электрический ток в катушке металлоискателя, что увеличивает длительность фронта спада электрического тока в катушке индуктивности металлоискателя после прекращения генерации импульса, и определяется аналогово-цифровой системой как уровень сигнала от обнаруженного металлического объекта.

В этом режиме работы (фиг.2) металлоискатель не определяет тип металла, реакция на разные типы металлов и сплавов однотипна, так как измеряется только проводимость металлического объекта, по уровню переизлученного переменного магнитного поля переходного процесса вызванного генерацией одного импульса катушкой металлоискателя. Чем меньше активное электрическое сопротивление металла или сплава металлического объекта, тем больше напряженность магнитного поля возникающего вследствие протекания тока в электрическом проводнике объекта. Чем больше активное электрическое сопротивление металла или сплава металлического объекта, тем меньше напряженность магнитного поля возникающего вследствие протекания тока в электрическом проводнике объекта.

Электрическая проводимость металла обуславливает процесс преобразования наведенного переменного электрического тока в переменное магнитное поле и является характеристикой активного электрического сопротивления (Rо) объекта. Уровень сигнала не может служить точной характеристикой значения проводимости для каждого типа металла или сплава, так как уровень сигнала также зависит от размера и от дальности расположения металлического объекта от датчика.

2. Метод определения индуктивности металлического объекта

Генерация питающих катушку импульсов одинаковой длительности с заполнением импульсами заданной частоты (пачки импульсов), с изменением частоты в каждой пачке импульсов (Фиг.3.), при перемещении или нахождении датчика металлоискателя над металлическим объектом, позволяет производить оценку индуктивных свойств обнаруженного металлического объекта.

Датчиком металлоискателя генерируется группа импульсов, каждый из импульсов одинаковой длительности заполнен импульсами определенной частоты (пачка импульсов), например, повторяющаяся группа из трех пачек импульсов, первая пачка импульсов частотой 30кГц, вторая 50кГц, третья 100кГц. При генерации пачки импульсов с большей частотой датчик излучает переменное магнитное поле этой частоты воздействующее на металлический объект и чем ближе излучаемая частота к собственной резонансной частоте металлического объекта тем большей амплитуды электрический ток потечет по электрическому сопротивлению проводника объекта и тем больший уровень напряженности переменного магнитного поля он переизлучит. Чем больше напряженность переизлученного магнитного поля, тем больший ток наводится в катушке и тем больше длительность фронта спада электрического тока в катушке металлоискателя при отключении генерации, которая является уровнем сигнала от объекта. Чем выше частота излучаемого электромагнитного поля катушки, тем меньше реактивное сопротивление металлического объекта, обладающего индуктивными свойствами, тем больший ток протекает в проводнике металлического объекта, тем большая напряженность магнитного поля возникает вокруг объекта и переизлучается им. Чем ближе частота электромагнитного поля катушки к резонансной частоте структуры металлического объекта (эквивалент колебательного контура), тем больший ток протекает в проводнике металлического объекта, тем большая напряженность магнитного поля возникает вокруг объекта и переизлучается им. Например, при частоте пачки импульсов 30кГц и следовании импульсов с частотой 200Гц металлические объекты из алюминия круглой формы дают отраженный сигнал в 10мкВ, а металлические объекты из железа такой же формы дают отраженный сигнал в 15мкВ, при нахождении на одинаковом расстоянии от измерительной катушки индуктивности. А при частоте пачки импульсов 100кГц и следовании импульсов с частотой 200Гц металлические объекты из алюминия круглой формы дают отраженный сигнал в 20мкВ, а металлические объекты из железа такой же формы дают отраженный сигнал в 17мкВ, при нахождении на одинаковом расстоянии от измерительной катушки индуктивности. По полученным соотношения уровней сигналов от объектов, измеренных при разных частотах заполнения импульсов, определяется тип металла, коэффициент характеризующий индуктивность объекта Ки. Так, для алюминия Ки=20 мкВ/10 мкВ = 2, для железа Ки=17 мкВ/15 мкВ = 1,13.

Таким образом, для каждой из пачек импульсов заполненных каждый своей частотой импульсов измеряется уровень переотраженного переменного магнитного поля металлическим объектом. И определяется при какой частоте заполнения импульса был зафиксирован максимальный уровень сигнала от объекта. Определяется максимально близкая частота пачки импульса к собственной резонансной частоте металлического объекта. Это позволяет получать уникальную характеристику сигнала для каждого типа металла и сплава. Таким образом, определяется индивидуальная уникальная индуктивная характеристика (Lo) металлического объекта.

Также реализуется функция уменьшения сигналов от не нужных сплавов и металлов, генерируются пачки импульсов, питающие катушку с одной частотой, при которой наблюдается максимальный уровень сигнала от искомых металлических объектов из определенных металлов или сплавов. Таким образом, сигнал на искомый тип металла будет больше, чем на другие типы металлов и сплавов.

Индуктивная характеристика (Lo) металлического объекта определяется не только типом металла или сплава, но и формой и объемом объекта, и сама по себе не может являться точным значением для определения типа металла или сплава. И также уровень сигнала зависит от дальности расположения металлического объекта от датчика.

3. Метод определения магнитной проницаемости металлического объекта

При генерации импульсов разной длительности при перемещении или нахождении датчика металлоискателя над металлическим объектом происходит измерение переотраженного переменного магнитного поля от объекта для каждой длительности импульса, излученного катушкой. Соотношение уровней переотраженного сигнала от импульсов разной длительности характеризует магнитную проницаемость металлического объекта (Мо), насколько быстро и эффективно металл объекта преобразует переменное магнитное поле в электрический ток.

Величина магнитной проницаемости металлического объекта (Мо), определяется количеством магнитных моментов отдельных атомов или молекул металла или сплава ориентируются параллельно приложенному внешнему магнитному полю заданной напряженности и насколько велики эти моменты.

Для металлов и сплавов с магнитной проницаемостью близкой к 1 соответствует слабая ориентированность моментов (почти хаос в направлениях, поле практически не влияет на них), а для металлов и сплавов с магнитной проницаемостью намного больше 1 соответствует высокая упорядоченность и большие величины или большое число индивидуальных магнитных моментов.

Такой метод позволяет точно разделять группы ферромагнитных и неферромагнитных металлов, но не позволяет определять более точно типы металлов и сплавов в этих группах в связи с их близкой по значению магнитной проницаемостью.

Если для разной длительности генерируемых импульсов переотраженный сигнал от металла примерно одинаковый (Фиг.4.), то обнаружен металл с высокой магнитной проницаемостью, которому даже короткого электромагнитного импульса достаточно для насыщения внутренним электрическим током, который в проводнике преобразуется во вторичное магнитное поле металлического объекта и наводит электрический ток в катушке прибора. Увеличение длительности импульса практически не меняет уровня переотраженного магнитного поля объекта, так как уже при малой длительности импульса в нем наводится максимально возможный ток насыщения. Чем больше амплитуда переменного тока возникает в электрическом проводнике объекта при нахождении его в переменном магнитном поле катушки металлоискателя, тем выше его магнитная проницаемость (Мо).

Отношение уровня сигнала при импульсе малой длительности к уровню сигнала при импульсе большой длительности определяет характеристику магнитной проницаемости металлического объекта. При примерном равенстве полученных уровней сигнала обнаружен металл с большой магнитной проницаемостью. Такой случай характерен для железа с магнитной проницаемостью, равной 100.

Если для разной длительности генерируемых импульсов переотраженный сигнал от металла сильно разнится, то обнаружен металл с низкой магнитной проницаемостью, которому даже длительного электромагнитного импульса недостаточно для насыщения внутренним электрическим током, который преобразуется во вторичное магнитное поле металлического объекта и наводит электрический ток в катушке прибора. Увеличение длительности импульса меняет уровень переотраженного магнитного поля объекта, так как при малой длительности импульса в нем наводится минимально возможный ток. При увеличении длительности генерируемого импульса происходит увеличение тока, возникающего в электрическом проводнике объекта и соответственно увеличение переизлученного переменного магнитного поля наводящего электрический ток в катушке металлоискателя при завершении генерации импульса и увеличении длительности фронта спада (T4) электрического тока в катушке (Фиг.3). Такой случай характерен для алюминия с магнитной проницаемостью, равной 1.

4. Метод определения удельной проводимости металлического объекта

При последовательной генерации пачек импульсов одинаковой длительности с заполнением импульсами высокой частоты и без заполнения (Фиг.5.) например заполнение частотой 350 кГц импульсов с частотой 200 Гц, при перемещении или нахождении датчика металлоискателя над металлическим объектом, позволяет одновременно определять функцию проводимости металлического объекта (Ro) и функцию его индуктивности (Lo).

Определяется приращение длительности фронта спада электрического тока в катушке после генерации незаполненного импульса - Т1, и приращение длительности фронта спада электрического тока в катушке после генерации импульса с заполнением частотой при которой обнаруживается максимальный сигнал от объекта - Т2. Соотношение T1/T2 дает уникальное значение, характеризующее удельную проводимость металла или сплава металлического объекта, значение данного соотношения имеет зависимость также от формы металлического объекта.

Для исключения влияния формы металлического объекта из полезного сигнала для более точного определения типа металла применяется последовательная генерация импульсов одинаковой длительности с заполнением импульсами высокой частоты и без заполнения, и генерация импульсов разной длительности (Фиг.6) при перемещении или нахождении датчика металлоискателя над металлическим объектом, позволяет одновременно определять функцию проводимости металлического объекта, функцию его индуктивности, функцию магнитной проницаемости.

Определяется приращение длительности фронта спада электрического тока в катушке после генерации незаполненного импульса - Т1, и приращение длительности фронта спада электрического тока в катушке после генерации импульса с заполнением частотой при которой обнаруживается максимальный сигнал от объекта - Т2, отношение уровня сигнала при импульсе малой длительности к уровню сигнала при импульсе большой длительности определяет характеристику магнитной проницаемости металлического объекта - Т3=T4/T1.

Соотношение (T1/T2)/Т3 дает уникальное значение, характеризующее удельную проводимость металла или сплава металлического объекта не зависимо от его формы и расположения в пространстве.

Измеренный сигнал от металлического объекта может отображаться как на дискретных дисплеях, в виде строк, столбцов, рядов индикаторов так и на графике, где значению точки N по оси абсцисс соответствует N-е значение сигнала магнитной проницаемости металлического объекта (Mo), а по оси ординат N-е значение сигнала индуктивности металлического объекта (Lo).

Сигнал графически отображает интегральную характеристику свойств металлического объекта, находящегося в электромагнитном поле измерительной катушки индуктивности.

В этом случае в интегрированной форме петель фигур Лиссажу на дисплее устройства отображаются индуктивные свойства и свойства электрической проводимости или электромагнитной восприимчивости обнаруженного металлического объекта (фиг.7).

Индекс типа металла отображает угол направления петли Лиссажу и вычисляется как частное значение сигнала магнитной проницаемости металлического объекта (Mo) и значение сигнала индуктивности металлического объекта (Lo) (Х = Mo/Lo). Для графического определения индекса типа металла между крайней максимальной точкой петли и нулевой точкой определяется вектор направленности фигуры Лиссажу. Между вектором направленности и осью сигнала определяется угол наклона фигуры Лиссажу. Знак угла наклона определяется из расположения фигуры в отрицательной или положительной зоне сигнала. Измеренное значение угла наклона является уникальной интегральной характеристикой типа обнаруженного металла или сплава.

По длине фигуры характеризуется площадь металлического объекта, направленная параллельно катушке. По форме фигуры анализируется неравномерность внутреннего состава объекта.

Способ бесконтактного селективного отображения металлических предметов позволяет анализировать переходный процесс, фронт спада импульса самоиндукции измерительной катушки. Информативная часть сигнала в изобретении содержится во фронте переходного процесса явления самоиндукции, который измеряется в приборе. В изобретении анализируется и определяется добавленная энергия переходного процесса самоиндукции, переизлученная металлическим объектом, влияющая на амплитуду, длительность, форму переходного процесса разряда индуктивности на сопротивление, преобразующее ток самоиндукции в напряжение, которое усиливается операционным усилителем, и измеряется АЦП.

Осуществление изобретения

На основе способа импульсно-резонансно-вихретокового бесконтактного селективного обнаружения металлических объектов может быть реализован селективный металлоискатель, предназначенный для поиска металлических объектов в грунте, в стенах и в других не проводящих средах.

Селективность по типу металла увеличит точность обнаружения искомого объекта, и повысит безопасность строительных, археологических и саперских работ. При работе с металлоискателем измерительная катушка индуктивности перемещается оператором параллельно грунту на высоте 3-5 см, осуществляя сканирование пространства под землей. Металлоискатель работает, осуществляя постоянную последовательную генерацию импульсов одинаковой длительности с заполнением импульсами высокой частоты и без заполнения, и генерация импульсов разной длительности формирование импульсов задается программно микроконтроллером.

Металлоискатель, реализованный по предложенному методу работы, предназначен для дистанционного бесконтактного измерения проводимости и индуктивных свойств материалов магнитоиндукционным методом.

Импульсно-резонансно-вихретоковый металлоискатель сам излучает переменное электромагнитное поле и измеряет ответный переизлученный металлическим объектом электромагнитный сигнал. По уровню переизлученного сигнала металлоискатель определяет местоположение металлических объектов в любых непроводящих средах (грунт, стены, полы, потолки домов, вода, морская вода, скальная порода, магматическая порода и т.д.).

Разработанные импульсно-резонансно-вихретоковые металлоискатели реагируют на все типы металлов, так как в объеме металла под воздействием электромагнитного поля металлоискателя происходит преобразование переменного магнитного поля в электрический ток, и в зависимости от удельного сопротивления металла, индуктивности и магнитной проницаемости наведенный в нем электрический ток преобразуется во вторичное магнитное поле, которое также фиксируется датчиком металлоискателя. Разработанный импульсно-резонансно-вихретоковый металлоискатель осуществляет последовательную генерацию импульсов одинаковой длительности с заполнением импульсами высокой частоты и без заполнения, и генерацию импульсов разной длительности, формирование импульсов задается программно микроконтроллером.

Таким образом, импульсно-резонансно-вихретоковый металлоискатель обнаруживает металлические объекты из любых металлов и сплавов по их удельной проводимости, индуктивности и магнитной проницаемости характеризующимися переизлученным электромагнитным полем металлического объекта в зоне действия датчика. Также при анализе зафиксированного вторичного поля от металлического объекта возможно достаточно точное определение типа металла, и определение отдаления объекта от датчика металлоискателя.

Так как принцип работы импульсно-резонансно-вихретокового металлоискателя основан на излучении переменного магнитного поля для наведения в металлических объектах вторичного электромагнитного поля, то дальность действия этих приборов ограничена физикой распространения электромагнитных волн.

Чем больше металлический объект, тем глубже он будет обнаружен, так как переизлучит более сильное вторичное поле, чем меньше металлический объект, тем меньше глубина его обнаружения, так как мало переизлучаемое поле.

Металлоискатели реализованные по предложенному способу работы имеют простое управление и не требуют постоянной настройки, реализуется быстрое обучение работе с прибором, простой контроль глубины обнаружения, дальности действия прибора, точное определение границ залегания металлического объекта и его центра.

Импульсно-резонансно-вихретоковые металлоискатели регистрируют только уровень переотраженного электромагнитного поля от обнаруженного металлического объекта, не измеряя изменение индуктивности катушки. В результате импульсно-резонансно-вихретоковые металлоискатели реагируют на объекты обладающие проводимостью, и не реагируют на объекты, обладающие только индуктивными свойствами. Реакция таких металлоискателей на грунт, обладающий только индуктивными свойствами, исключается на физическом уровне.

Далее в описании использованы следующие обозначения позиций на чертежах:

1. Дисплей

2. Клавиатура

3. Генератор импульсов тока

4. Приемо-передающая катушка индуктивности

5. Измерительный усилитель сигнала

6. Беспроводное устройство приема передачи данных

7. Измерительный, вычислительный микроконтроллер

8. Электронный коммутатор управления усилителя

9. Аналого-цифровой преобразователь, измеритель длительности

10. Виброиндикация

11. Звуковая индикация

12. Разъем внешнего питания, заряда батарей, подключения наушников

13. Зарядное устройство

14. Батарейный отсек

15. Стабилизатор, преобразователь напряжения

Импульсно-резонансно-вихретоковый металлоискатель состоит из приемо-передающей катушки индуктивности 4, генератора импульсов питания катушки 3, измерительного дифференциального усилителя сигнала 5, электронных аналоговых ключей коммутатора управления усилительными и интегрирующими каскадами измерительного усилителя и управления генератором питания катушки 8, аналого-цифрового преобразователя измерителя длительности фронта спада тока в катушке 9, измерительно-вычислительного микроконтроллера 7, беспроводного устройства приема передачи данных 6, виброиндикатора 10, звукового индикатора 11, многофункционального разъема внешнего питания для заряда батареи, подключения наушников, зарядного устройства 13, батарейного отсека размещения элементов питания 14, стабилизатора преобразователя напряжения 15. Измерительно-вычислительный микроконтроллер 7 осуществляет управление генератором импульсов тока(3) питания приемо-передающей катушки (4). Микроконтроллер (7) может быть выбран любого типа и любой модификации имеющий достаточно ресурсов и внутренних компонентов для выполнения задач управления и измерения металлоискателя, иметь аналоговые входы приема сигнала, цифровые входы/выходы для работы интерфейса управления и передачи данных, тактовую частоту работы не ниже 8 МГц, сбросовый таймер, таймер 16 бит. Микроконтроллер (7) формирует сигнал управления, открывающий электронный ключ (3) подачи питания на катушку (4) в соответствии с последовательной генерацией импульсов одинаковой длительности с заполнением импульсами высокой частоты и без заполнения, и генерация импульсов разной длительности формирование импульсов задается программно микроконтроллером. Тем самым на катушку (4) подается питание в виде незаполненного импульса или пачки высокочастотных импульсов или импульсов одинаковой длительности. Электронный ключ (3) также может применяться любой, с параметрами, обеспечивающими управление питанием катушки без появления паразитных шумов. После завершения процесса генерации импульса питания катушки (4), контролер (7) отключает электронный ключ управления (3) от линии питания. Затем контроллер управления (7) с помощью электронного ключа коммутатора (8) управления усилителя (5) обнуляет электрический заряд и напряжения накопившиеся в каскадах усиления во время генерации импульса питания в катушку (4). Электронный ключ коммутатор (8) может быть применен любого типа с характеристиками, обеспечивающими быстрое защелкивание и малое сопротивление перехода. Ток самоиндукции, возникающий в катушке (4) после отключения линии питания преобразуется в напряжение на прецизионном резисторе блока измерительного усилителя сигнала (5). В блоке усилителя (5) происходит дифференциальное усиление сигнала и вычитание постоянной составляющей, а также аналоговая фильтрация высоких и низких частот сигнала. В качестве усилителя (5) могут применяться любые типы операционных дифференциальных усилителей, имеющих достаточный входной динамический диапазон, низкие собственные шумы и высокий коэффициент усиления. Подготовленный и усиленный полезный сигнал фронта спада тока в катушке поступает на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП) (9) прибора, где он оцифровывается и передается для обработки данных в измерительный вычислительный микроконтроллер (7). АЦП (9) может применяться любого типа и принципа действия, с разрешением начиная от 10 бит. Микроконтроллер (7) определяет длительность фронта спада тока в катушке металлоискателя (4) с момента отключения датчика (4) от линии питания (момент прекращения генерации импульса) до момента достижения током в катушке (4) заданного минимального порогового значения (Uo). По длительности этого периода определяется уровень наведенного в катушке (4) металлоискателя дополнительного электрического тока переотраженным переменным магнитным полем металлического предмета.

Контроллер (7) производит вычисление зависимости уровня сигнала объекта от типа импульса и его частоты. Производит вычисление и определение типа металла или сплава обнаруженного металлического предмета. Полученные результаты вычислений и измерений отображаются микроконтроллером (7) на дисплее (1), в качестве дисплея может применяться любой знакосинтезирующий или графический индикатор.

В случае превышения заданных пороговых значений сигнала металлического объекта контроллер (7) воспроизводит звуковую (11) и виброиндикацию (10), в качестве звукового индикатора(11) может устанавливаться динамик любого типа и любой конструкции, в качестве виброиндикатора (10) может устанавливаться вибромотор любого типа и любой конструкции.

Управление работой микроконтроллера (7) и задание параметров для осуществления вычислений осуществляется с клавиатуры (2), клавиатура может быть выполнена из любых коммутаторов электронных, электромеханических, любой формы и размеров в зависимости от области применения прибора.

Передача и прием данных микроконтроллером осуществляется также по беспроводному каналу связи (6), который может быть организован по любой беспроводной технологии, радиочастотной, акустической, электромагнитной, оптической. По беспроводному каналу связи контроллер передает данные измерений сигнала и принимает команды с удаленного устройства индикации и управления, в качестве которого может быть любой смартфон, планшетный компьютер, стационарный компьютер, ноутбук и т.п. любое устройство, имеющее дисплей и беспроводной канал связи, согласованный с каналом связи металлоискателя.

Разъем (12) обеспечивает подключение к прибору наушников, внешнего источника питания, зарядного устройства. Разъем также может быть выполнен любой формы и любого размера с любым количеством контактных групп и любой степенью герметизации в зависимости от задач и условий эксплуатации прибора.

В приборе также может устанавливаться встроенное зарядное устройство (13) аккумуляторных элементов питания, установленных в батарейном отсеке (14), могут применяться любые аккумуляторные батареи питания, а также щелочные и солевые элементы питания любого напряжения, в зависимости от тактических эксплуатационных требований.

Повышение или понижение и стабилизацию уровня напряжения батарейного питания осуществляет стабилизатор, преобразователь напряжения (15). Он может быть выполнен как линейный стабилизатор напряжения любого типа, так и как импульсный понижающий или повышающий стабилизатор напряжения любого типа в зависимости от требований стабильности питания и уровня энергопотребления.

Применение одной приемно-излучающей катушки удешевляет процесс производства, сокращает время изготовления прибора, повышает надежность и эффективность работы металлоискателя, за счет упрощения и сокращения числа компонентов. Так как сигнал излучается и принимается одной катушкой, настройка баланса не требуется и не теряется чувствительность по глубине к металлическим объектам в сильноминерализованном грунте. Анализ одной полярности сигнала не требует применения синхронного детектора, как для биполярных сигналов, реализуемых в аналогах, что удешевляет конструкцию, делает ее надежней и повышает чувствительность прибора за счет отсутствия в полезном сигнале шумов синхронного детектора.

Импульсно-резонансно-вихретоковые металлоискатели могут применяться:

- для поиска металлических объектов в грунте, в археологии, кладоискательстве, спасательных операциях, военных задачах по разминированию,

- в пищевой промышленности для обнаружения металлических объектов, попавших из оборудования в пищевой продукт,

- в строительстве для обнаружения медных или алюминиевых проводников с целью обхода при сверлении или для задач извлечения и восстановления целостности проводников,

- в дорожном строительстве с целью обнаружения металлических объектов под дорожным покрытием с целью предупреждения поломки дорожной машины при попадании металла в рабочий инструмент,

- в медицине для поиска пули или осколков в теле человека,

- в прачечной отрасли для контроля текстильных изделий на предмет оставшихся в них острых металлических предметов способных повредить механизм стиральной машины,

- в области досмотра граждан и багажа на предмет обнаружения запрещенных к проносу металлических предметов,

- в любой другой отрасли промышленности.

Изобретение относится к области детектирования токопроводящих и ферромагнитных предметов в магнитопроницаемых твердых, сыпучих или жидких средах. Сущность: способ включает последовательную генерацию питающих катушку импульсов одинаковой длительности в интервале частот от 1 Гц до 1 кГц с заполнением импульсами заданной частоты в интервале значений от 1 кГц до 1 МГц с изменением частоты в каждой пачке импульсов и без заполнения, импульсов разной длительности без заполнения. После завершения процесса генерации пачки импульсов с заполнением или импульсов без заполнения измеряют приращения длительности фронта спада электрического тока в катушке: после генерации импульса без заполнения большой длительности - Т1, малой длительности - Т4, приращение длительности фронта спада электрического тока в катушке после генерации импульса с заполнением частотой, при которой обнаруживается максимальный сигнал от объекта, - Т2. Определяют тип металла на основании соотношения (Т1/Т2/)Т3, где Т3=T4/T1. Технический результат: повышение точности определения типа металлов. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ бесконтактного селективного обнаружения металлических объектов с использованием импульсно-резонансно-вихретокового метода, включающий последовательную генерацию питающих катушку импульсов одинаковой длительности в интервале частот от 1 Гц до 1 кГц с заполнением импульсами заданной частоты в интервале значений от 1 кГц до 1 МГц с изменением частоты в каждой пачке импульсов и без заполнения, импульсов разной длительности без заполнения, прекращение подачи питания на катушку после завершения процесса генерации пачки импульсов с заполнением или импульсов без заполнения, измерение приращения длительности фронта спада электрического тока в катушке после генерации импульса без заполнения большой длительности Т1 и малой длительности Т4, приращения длительности фронта спада электрического тока в катушке после генерации импульса с заполнением частотой, при которой обнаруживается максимальный сигнал от объекта Т2, определение типа металла на основании соотношения (Т1/Т2/)Т3, где Т3=T4/T1.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что определенную интегральную характеристику свойств металлического объекта в виде соотношения Т1/Т2/Т3 отображают в графическом или дискретном виде на дисплее.