Электромагнитные устройства зондирования на малые глубины Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 358.2

В.П. Лубов, И.Н. Злыгостев ИНГГ СО РАН, Новосибирск

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ УСТРОЙСТВА ЗОНДИРОВАНИЯ НА МАЛЫЕ ГЛУБИНЫ

V.P. Lubov, I.N. Zlugostoev

Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS (IPGG SB RAS)

Pr. Academika Koptyuga, Novosibirsk, 630090, Russian Federation

RADIOWAVE AND INDUCTION DEVICES OF SOUNDING ON SMALL DEPTHS

In article the description of radiowave and induction methods, sounding on small depths is given. Descriptions are resulted: radiowave device PR-504A and induction metal detector UMI-

1. Comparison of their characteristics with domestic and foreign analogues is carried out, shown, that characteristics of devices do not concede to the best foreign and domestic analogues, and on noise immunity of them surpass.

Введение. Широкий круг задач инженерной геологии, археологии, дефектоскопии, строительства, поиска мин и т. д., связан с необходимостью разработки и совершенствования приборов поиска и идентификации металлических и диэлектрических объектов в непрозрачных средах. В качестве объектов выступают малоразмерные миноподобные объекты. Это связано с тем, что поиск именно этих объектов требовал интенсивного развития электромагнитных методов геофизической разведки на малые глубины и создано большое количество устройств для этой цели. Однако это не означает, что электромагнитные методы и устройства пригодны только для этой цели. Они с таким же успехом могут быть применены для поиска и исследования археологических объектов, объектов инженерной геологии, строительных конструкций и т. д. Целью данной статьи является краткое описание радиоволнового и индукционного методов, их возможностей. Использование этих методов в радиоволновом обнаружителе ПР-504А и индукционном металлоискателе УМИ-1, предназначенными, в основном, для поиска инородных тел на глубинах до метра.

Радиоволновый метод. В грунт, воду излучаются электромагнитные волны СВЧ-диапазона (100 МГц - 1,2 ГГц) и регистрируется разность между отраженными сигналами в двух точках, т. е. градиент диэлектрической проницаемости. Стандартная (балансная) схема датчика такова: в центре расположена излучающая антенна, а две встречно включенные приемные антенны расположены слева и справа на одинаковом расстоянии от нее. Когда грунт однороден, то суммарный сигнал приемных антенн равен нулю. При появлении неоднородности под одной из антенн возникает сигнал разбаланса. Такая система требует точной сбалансированности, не допускает перекосов при движении, реагирует на неоднородности грунта и не способна определять тип обнаруженного объекта.

Предпринимались попытки усовершенствовать данную систему, но они не привели к успеху. К примеру, если попытаться определять фазу отраженной волны, то она может набегать как за счет электрофизических свойств объекта, так и за счет глубины его залегания, а для влажных грунтов это и вовсе бесполезно.

Так же была предпринята попытка, учесть особенности спектральных характеристик различных объектов в диапазоне частот от 100 МГц до 1 ГГц. Выявлены некоторые отличия в спектрах ряда эталонных объектов, скрытых в сухом песке, но они исчезают, если объект неопределенный и если грунт не песчаный.

Этот метод имеет определенные ограничения.

Существуют объекты типа TS-6.1, TS-2.5, диэлектрическая

проницаемость которых близка к проницаемости сухого песка. Радиоволновые обнаружители типа: AN/PRS-7 (США), обнаруживают их с вероятностью около 8 %. Радиоволновый обнаружитель ПР-504А имеет вероятность обнаружения до 16 %. Он отличается тем, что имеет автоматическую настройку чувствительности, т. е. оператор «не наудачу» устанавливает чувствительность, а чувствительность автоматически устанавливается на 10 % выше уровня помех, что позволило увеличить вероятность обнаружения почти вдвое. При работе на грунтах с неровностями более 5 см. (каменистая местность, пахотная земля и т. д.) количество помех столь велико, что поиск диэлектрических объектов практически невозможен, такова особенность данного метода. Несмотря на этот недостаток, это единственный метод позволяющий обнаруживать как металлические, так и диэлектрические объекты.

На основе этой схемы создан ряд обнаружителей, отличающихся конструкцией датчиков, чувствительностью, потребляемой мощностью и т. п. Приборы, в которых реализован данный метод, почти достигли своего совершенства, и дальнейшие попытки их модернизации несущественно улучшают их характеристики. В частности, попытки США заменить AN/PRS-7 на AN/PRS-8 со встроенным микропроцессором, чтобы увеличить вероятность обнаружения, не привели к особому успеху. Как утверждается, вероятность обнаружения в сухом песке объектов типа: TS-6.1, TS-2.5 для AN/PRS-8 повысилась до 80 %, видимо за счет обработки сигналов по длительности и фронтам, но на этом все преимущества заканчиваются. При работе на грунтах с влажностью более 12 % он мало, чем отличался от предшественника, также имел большее число ложных тревог, чем у ПР-504А, кроме того, потребляемая мощность была, примерно, раз в 5 выше. Это объясняется тем, что в ПР-504А применено оригинальное техническое решение, заключающееся в автоматической подстройке чувствительности под свойства грунта. Например, чувствительность прибора высокая для песка, где контраст грунт/объект мал, и автоматически понижается на сыром грунте, где контраст высок. Использование такого решения позволяет уменьшить число ложных тревог без ухудшения поисковых характеристик прибора. Основная мощность расходуется на излучение, и если в AN/PRS-7

используется непрерывный режим зондирования, то в ПР-504А этот режим точечный. Это позволило:

1. Уменьшить мощность потребления;

2. Возможность использовать совместно с радиоволновым каналом другие каналы;

3. Повысить помехозащищенность от импульсных электромагнитных помех.

Радиоволновый обнаружитель ПР-504А.

Обнаружитель ПР-504А предназначен для обнаружения диэлектрических неоднородностей (полостей, диэлектрических и металлических объектов, разломов, строительных швов и т. д.), находящихся: в воздухе, в воде, в оптически непрозрачных средах на глубинах до 50 см.

Области применения:

- Поиск металлических и пластиковых мин;

- Геология;

- Криминалистика.

Технические характеристики:

- Глубина обнаружения объектов, типа TS-2.5:

В песке до 10 см;

В сыром грунте до 12 см;

- Автоматическая подстройка чувствительности в зависимости от типа грунта;

- Возможность отличать диэлектрические и металлические объекты;

- Допустимый температурный диапазон работы прибора: от -40 оС до +50 °С;

- Использование любых элементов питания (А373, А343, А316, аккумуляторы);

- Время непрерывной работы с элементами питания типа: А373 более 250 часов.

Индукционный метод. Если в радиоволновом методе используется электрическая компонента электромагнитного поля, то в данном методе -магнитная. Создается переменное магнитное поле, которое наводит токи Фуко в токопроводящих объектах, либо меняет вектор намагниченности в ферромагнетиках. Эти явления изменяют характеристики первичного магнитного поля, которые регистрируются и используются для обнаружения металла.

Известно много разновидностей данного метода:

- Метод переходного процесса (МИН), при котором излучается одиночный импульс, и по времени и особенностям его спада судят о наличии объекта;

- Метод гармонических колебаний (МГК), при котором излучается гармоническое поле и регистрируется его нарушение;

- Метод резонанса (МР). В данном методе измеряют уход резонансной частоты.

Конструкции датчиков могут быть самыми разнообразными. Приборы, реализующие данный метод, фактически достигли своего предела и различаются только своим назначением или уровнем сервиса.

Одним из приборов, реализующих метод МПП является ПР-507А. В данной модели не имеется селекции по типу металла. Существует более современный вариант ИМП-2, также использующий МПП, в котором, за счет использования микропроцессорной технологии и измененной конструкции поискового элемента, реализована селекция по типу металла и даже форме объекта. ПР-507А имеет удобную конструкцию и облегченные весовые характеристики.

На базе этой конструкции был создан прибор УМИ-1, реализующий метод гармонических колебаний. Поисковый элемент УМИ-1 состоит из излучающей катушки и частично перекрывающей ее приемной катушки, что позволяет грубо сбалансировать систему, которая дополнена схемой точной балансировки. Блок обработки прибора позволяет определять массу объекта, тип металла (цветной/черный), примерную глубину залегания объекта, а также осуществляет автоподстройку металлоискателя к свойствам исследуемого грунта.

Прибор имеет стрелочный индикатор, встроенный динамик, возможность работы на внешние телефоны. Число органов управления минимально: включатель питания, регулятор чувствительности, кнопка контроля разряда батарей.

Были проведены сравнительные испытания УМИ-1 с ПР-507А и лучшими зарубежными приборами Garrett, Fisher. Испытания показали, что УМИ-1 по чувствительности сравним с Garrett и Fisher, но потребляемая мощность значительно меньше, и он в большей мере защищен от импульсных помех. Одним из достоинств прибора является предельная простата и надежность в эксплуатации, ясность в показаниях индикаторов. Данные испытания не позволили в полной мере выявить преимущества УМИ-1, так как они проводились в идеальных условиях: вмещающая среда была очищена от посторонних предметов и поверхность была выровнена.

Стендовые испытания УМИ-1 показали, что прибор уверенно обнаруживает стальной предмет массой 0.1 грамма на расстоянии до 10 см.

Полевые испытания показали, что УМИ-1 практически не реагирует на неровности грунта высотой до 10 см. Он автоматически подстраивается к типу грунта (песок, чернозем, соленая вода), не снижая чувствительности.

Основными отличиями УМИ-1 от указанных выше приборов являются: отстройка от любых типов грунта, высокая помехозащищенность, низкое энергопотребление.

Одно из свойств автоподстройки заключается в том, что если поднести поисковый элемент к грунту (воде) или рядом находится массивный металлический объект (машина, трубопровод, железнодорожные пути...), то вначале однократно возникает сигнал тревоги, но через 15 сек. он само настраивается, прибор не реагирует на данный грунт или объект и готов к поиску. Высокая помехозащищенность и низкое энергопотребление УМИ-1 обеспечиваются тем, что производится синхронная (по высокой частоте) обработка принятых сигналов при точечном зондировании. То есть формируется зондирующие импульсы, заполненные высокой частотой, со скважностью 1 : 10 (работа: молчание). Любая помеха, поступающая в момент «молчания» отсекается. Это позволило в несколько раз снизить энергопотребление и повысить помехозащищенность прибора.

Описание переносного металлоискателя УМИ-1.

Металлоискатель предназначен для селективного обнаружения черных и цветных металлов, находящихся в воде или в грунте на глубинах до 1-го метра.

Технические характеристики прибора приведены в таблице.

Таблица

Технические характеристики УМИ-1

Глубина обнаружения монеты 2цента 20 см

Расстояние обнаружения и идентификации пластинок о из Аи, А1, Си и Бе размером 3 х 3 х 0.5 мм 5 см

Расстояние обнаружения пружины от TS-2.5 10 см

Расстояние обнаружения пружины от TS-6.1 10 см

Расстояние обнаружения стального стержня 0.1 г 10 см

Расстояние обнаружения стального шара d = 5.5 мм 12 см

Потребляемая мощность менее 0.2 вт

Масса без упаковки и источников питания менее 1,5 кг

Температурный диапазон работы от -20 °С до +45 °С

Время непрерывной работы с элементами типа: 373 не менее 200 ч

Модель металлоискателя УМИ-1 [1, 2] обладает следующими

особенностями:

- Селекция металлов: меди, алюминия, золота от черных металлов;

- Высокая чувствительность;

- Минимальное потребление энергии;

- Малая ширина зоны локализации;

- Простата и удобства в эксплуатации.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Лубов В.П. Патент №2216028 от 10.10.2003г. Металлоискатель.

2. Лубов В.П. Индукционный металлоискатель УМИ-1, сайт www.uiggm.nsc.ru/ktigep/

© В.П. Лубов, И.Н. Злыгостев, 2008