CC BY
8M z
I РАЗДЕЛ. ЭЛЕКТРОНИКА, РАДИОТЕХНИКА И СИСТЕМЫ СВЯЗИ
УДК 537.852.2
Баженов Иван Николаевич, кандидат технических наук, Академия Федеральной службы охраны Российской Федерации, г. Орёл Bazhenov Ivan Nikolaevich, Russian Federation Security Guard Service Federal Academy, Orel
Дудников Владислав Александрович, Клемин Дмитрий Анатольевич,
Академия Федеральной службы охраны Российской Федерации, г. Орёл Dudnikov Vladislav Aleksandrovich, Ktemin Dmitriy Anatolyevich, Russian Federation Security Guard Service Federal Academy, Orel
ИССЛЕДОВАНИЕ ОТКЛИКА МЕТАЛЛОДЕТЕКТОРА С КРУГОВОЙ КАТУШКОЙ КРУГЛОГО СЕЧЕНИЯ НА ОБЪЕКТЫ ПОИСКА
ANALYSIS OF THE RESPONSE OF A METAL DETECTOR WITH A CIRCULAR COIL OF CIRCULAR CROSS-SECTION TO SEARCH OBJECTS
Аннотация: в работе произведено исследование отклика металлодетектора с круговой катушкой круглого сечения на объекты поиска, установленные внутри бетонных ограждающих конструкций. Представлены графики и сделан вывод о зависимости отклика металлодетектора на объекты поиска от различных параметров.
Abstract: in this article investigates the response of a metal detector with a circular coil of circular cross-section to search objects installed inside concrete enclosing structures. Graphs are presented and a conclusion is made about the dependence of the metal detector response to search objects on various parameters.
Ключевые слова: объект поиска, отклик металлодетектора на объект поиска, металлодетектор, взаимная индуктивность.
Keywords: search object, metal detector response to the search object, metal detector, mutual inductance.
Введение. Важнейшими характеристика металлодетекторов (МД), определяющими его возможности по поиску различных объектов в ограждающих конструкциях являются: максимальная глубина поиска; минимальный размер обнаруживаемого предмета; рабочая частота, геометрические параметры катушки МД и объекта поиска (ОП); чувствительность катушки (величина отклика катушки на ОП). Чувствительность МД зависит о многих параметров как самой катушки МД, так и объектов поиска.
Зная примерные размеры, форму и расстояние до объекта поиска становится возможным рассчитать оптимальные размеры катушки МД для получения наибольшего отклика МД на ОП.
Исследование отклика металлодетектора с круговой катушкой круглого сечения на объекты поиска. Отклик металлодетектора (МД) на объекты поиска (ОП) в виде монеты внутри ограждающих конструкций определяется выражением 1 [2]:
М2 ГЧ^совУ)
^ ~Т~Г~-]--,
1 2 10,336(г2 + к2 ) ^э^катк
радиус катушки МД, м; количество витков катушки МД; диаметр ОП, м;
где r
n1 d2
к - расстояние между ОП и катушкой МД, м;
- относительная магнитная проницаемость материала ОП;
^ат - относительная магнитная проницаемость материала катушки МД;
к[ - коэффициент, вычисляемый по формуле 2;
а - угол между нормалью к катушке МД и нормалью к ОП.
В [2] для индуктивности круговой катушки круглого сечения вводится коэффициент к[, который определяется выражением 2:
к =
1 + —
4 —2
1п—1,75 + —, у 6
(2)
где у -
отношение радиуса поперечного сечения катушки Щ к среднему диаметру 2т[.
Анализируя выражение 1, можно сделать вывод, что величина отклика МД на ОП приближённой формы будет зависеть от геометрических параметров катушки МД, количества
витков П[ катушки МД, угла а между нормалями к плоскостям катушки МД и ОП, расстояния к между катушкой МД и ОП, диаметра ОП ^2, а также относительных магнитных
проницаемостей ^ и ^кат материалов из которых изготовлены ОП и катушка МД.
Аналитические расчеты зависимости отклика МД на ОП были проведены в среде Макеаё. Для проведения расчётов были заданы примерные размеры ОП. Представим ОП (закладное устройство) в виде «монеты» диаметром 20 мм и толщиной 2 мм, расположенной внутри бетонных конструкций на глубине 40-50 мм. Для проведения исследований была использована катушка МД со следующими параметрами: радиус 7 см, количество витков 38, диаметр медной проволоки 0,5 мм.
На рисунке 1 представлена зависимость величины отклика МД на ОП от угла между нормалями к плоскостям катушки МД и ОП.
Анализ зависимости (рис. 1) показал, что максимальный отклик достигается, при выборе угла между нормалями к плоскостям катушки МД и ОП равным нулю. Таким образом, для получения максимального значения отклика плоскость катушки МД при обследовании ограждающих конструкций необходимо располагать параллельно плоскости ОП.
Рисунок 1 - График зависимости отклика МД на ОП от угла между нормалями
к плоскостям катушки МД и ОП
На рисунке 2 представлена зависимость величины отклика МД на ОП от расстояния между катушкой МД и ОП. Анализ зависимости показал, что она носит экспоненциальный характер и резко уменьшается с увеличением расстояния между катушкой МД и ОП.
Рисунок 2 - График зависимости величины отклика МД на ОП от расстояния между катушкой МД и ОП
Зависимость величины отклика МД на ОП от материала изготовления представлена на рисунке 3. Для удобства восприятия графики зависимости (рис. 3) были построены в логарифмическом масштабе.
Для примера был рассмотрен материал изготовления ОП из меди с относительной магнитной проницаемостью - 0,999994, алюминия - 1,000022 и стали - 100.
Рисунок 3 - Графики зависимости величины отклика МД на ОП от материала ОП
Зависимость величины отклика МД на ОП, изготовленного из меди (= 0,999994), от радиуса катушки МД радиусом 7 см с количеством витков Щ = 38 при постоянном расстоянии между ОП и катушкой МД И = 0,06 м.
Рисунок 4 - График зависимости величины отклика МД на ОП от радиуса катушки МД
Анализ зависимости (рис. 4), показал, что для выбранных размеров и глубины установки ОП квазиоптимальной является катушка МД, радиус которой равен 5,3 см. Из графика видно, что для такой катушки величина отклика на ОП заданных размеров на 20,2% больше, чем для исходной катушки МД радиусом 7 см.
Исходя из анализа зависимостей можно говорить о необходимости выбора квазиоптимального радиуса катушки МД для повышения его чувствительности.
Однако, повышения значений величины отклика МД на ОП можно добиться не только за счёт выбора квазиоптимального радиуса, но и за счёт увеличения количества витков
катушки. Длина медной проволоки ¡\, используемой в исследуемой катушке вычисляется по
выражению 3.
11 = 2жщ = 2ж- 0.07 • 38 = 16,713 м. (3)
Тогда из медной проволоки той же длины, использующейся для намотки катушки радиусом 0,07 м. можно получить квазиоптимальную катушку радиусом 0,053 м. с
количеством витков «2, которое определяется по выражению 4.
/ 16 713
n2 =-,-= 50,189 * 50 витков. (4)
2 2nr2 2п- 0,053
Зависимость отклика МД на ОП от радиуса исходной катушки МД с количеством витков ni = 38 и для квазиоптимальной катушки с количеством витков «2 = 50 представлены на рисунке 5.
— график зависимости отклика исх одной катушки МД на ОП ■ график зависимости отклика квазиоптимальней катушки МДна ОП Рисунок 5 - Графики зависимости отклика катушки МД на ОП от радиуса исходной катушки МД с количеством витков П = 38 и для квазиоптимальной катушки с количеством витков П2 = 50
Соответственно при таком же расходе медной проволоки возможно получить катушку с количеством витков на двенадцать больше, чем у исходной катушки. При этом значение величины отклика увеличивается на 43,7%.
Заключение. В работе проведено исследование зависимости отклика МД с круговой катушкой круглого сечения на объекты поиска и предложено квазиоптимальное решение повышения отклика МД. После проведения исследования установлено, что:
- для получения максимального значения величины отклика МД на ОП плоскость катушки МД при обследовании ОК должна быть расположена параллельно плоскости ОП;
- значение величины отклика МД на ОП уменьшается с увеличением расстояния к между катушкой МД и ОП;
- значение величины отклика МД на ОП растёт с уменьшением значения величины относительной магнитной проницаемости /лэ материала ОП;
- для заданных размеров ОП и глубины его установки квазиоптимальной является катушка МД, радиус Г2 которой равен 5,3 см, что даёт прирост значения величины отклика МД на ОП на 20,2% по сравнению с исходной катушкой МД;
- при таком же расходе медной проволоки возможно получить катушку с количеством витков «2 = 50, что на двенадцать больше, чем у исходной катушки, при этом прирост значения величины отклика МД на ОП составит примерно 43,7%.
Список литературы:
1. Расчёт индуктивностей : справочная книга / П.Л. Калантаров, Л.А. Цейтлин. -Ленинград, Энергоатомиздат, 1986. - 488 с.
2. Электромагнитное поле : учебное пособие / Л.К. Мартинсон, А.Н. Морозов, Е.В. Смирнов. - Москва, Издательство МГТУ им. Баумана, 2018. - 424 с.
3. Курс общей физики : учебное пособие для вузов в 5 кн. / И.В. Савельев. - Москва, Наука, 1998.
4. Электронный ресурс : www.rotr.info/electronics/practical/mdetector.
