Переносное устройство для обнаружения подземных металлических объектов и определения их местоположения

 

Изобретение относится к технике обнаружения индукционными методами скрытых металлических объектов и измерения параметров их залегания и может быть использовано для обнаружения подземных металлических коммуникаций, в частности трубопроводов и кабелей, люков колодцев, покрытых слоями земли, асфальта или снега, и других металлических предметов. Сущность изобретения: в устройстве использованы два вида передающих и приемных антенн, работающих на разнесенных более, чем на порядок частотах. Фазы сигналов на этих частотах связаны между собой. В блоке усиления и обработки сигналов устройства содержатся канал обработки амплитуды сигнала, канал обработки фазы сигнала, канал преобразования выходного аналогового напряжения в амплитуду и тон звукового сигнала и узел звукового контроля достаточности напряжения питания. В состав канала обработки сигналов входят три вычитающих усилителя с устройствами выборки-хранения выходных напряжений, фиксируемых после нажатия и отпускания кнопки управления. Эти напряжения фиксируют определенные коэффициенты усиления в каналах обработки амплитуды и фазы сигнала и в качестве опорных напряжений используются при дальнейшей работе устройства. Это позволяет измерять значение амплитуды принятого сигнала, приращение амплитуды принятого сигнала и изменение его фазы относительно предшествующих значений. Технический результат: повышение производительности поисковых и измерительных работ, расширение функциональных возможностей, расширение диапазона внешних температур, повышение защищенности от сигналов от проводящего грунта и его локальных неоднородностей. 1 ил.

Изобретение относится к технике обнаружения индукционными методами скрытых металлических объектов и измерения параметров их залегания и может быть использовано для обнаружения подземных металлических коммункаций, в частности трубопроводов и кабелей, люков колодцев, покрытых слоями земли, асфальта или снега, и других металлических предметов, например, кладов, а также определения их местоположения.

Известны двухрамочные индукционные металлоискатели для обнаружения расположенных на относительно большой глубине крупных объемных металлических объектов, трубопроводов и кабелей и определения их местоположения, изготавливаемые фирмами Fisher (Gemeni-3 и TW-6), White's (TM 800) и Discovery (TF 900) [1], Такие металлоискатели содержат разнесенные в пространстве генераторный блок, оканчивающийся генераторной рамкой, и приемный блок, оканчивающийся приемной рамкой. В состав передающего блока входит высокочастотный генератор, в состав приемного блока входят усилитель, фазовращатель синхронный (фазовый) детектор, стрелочный индикатор и прибор звуковой индикации. Питаются генераторный и приемный блоки от двух автономных источников постоянных напряжений (батарей гальванических элементов или аккумуляторов). Металлоискатели, сведения о которых приведены в [1], способны работать также в режиме трассировки подземных коммуникаций.

Недостатком таких устройств является низкая производительность поисковых работ, обусловленная большим количеством органов ручного управления. Они содержат переключатель режимов работы, регулятор чувствительности системы (глубины обнаружения объекта), регулятор порогового уровня звуковой индикации, регулятор "отстройки от грунта".

Наиболее близким аналогом к заявляемому устройству является переносное устройство обнаружения металлических объектов и определения их местоположения [2], содержащее три блока, первый из которых содержит передающую рамочную антенну (рамку), подсоединенный к ней первичной обмоткой первый трансформатор тока, высокочастотный генератор, счетверенный переключатель на четыре коммутируемых направления, источник постоянного напряжения (батарею гальванических элементов или аккумуляторов) и две части двух электрических разъемов, второй из которых содержит приемную рамочную антенну (рамку), подсоединенный к ней первичной обмоткой второй трансформатор тока и кабельную часть электрического разъема, и третий из которых - блок усиления и обработки сигналов - содержит фазовращатель, имеющий два входа и один выход, фазовый детектор, имеющий два входа, первый из которых соединен с выходом фазовращателя, и один выход, амплитудный детектор, вычитающий усилитель с устройством выборки-хранения, имеющий два входа и один выход, аналоговый модулятор низкой частоты, имеющий два входа и один выход, усилитель низкой частоты, источник постоянного напряжения (батарею гальванических элементов или аккумуляторов), отрицательный вывод которого соединен с общим для третьего блока проводником, механический выключатель, кнопку управления с нормально разомкнутыми контактами, прибор звуковой индикации, стрелочный индикатор, счетверенный переключатель на четыре коммутируемых направления и две приборные части двух электрических разъемов.

Недостатками устройства-прототипа, так же как и аналогов, приведенных в [1], являются наличие большого числа органов ручной регулировки и управления, что снижает производительность поисковых и измерительных работ (вследствие низкого уровня автоматизации указанных работ), невозможность обнаружения металлических предметов, имеющих небольшие размеры, невозможность различения черных и цветных металлов (сплавов), низкая помехозащищенность к проводящему грунту, ограниченный температурный диапазон работы (из-за используемых в прототипе химических источников тока), отсутствие звукового контроля падения напряжения источников питания ниже допустимого предела.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое решение, - создание переносного устройства для обнаружения подземных металлических объектов и определения их местоположения, обладающего большей производительностью поисковых и измерительных работ, обладающего расширенными функциональными возможностями и способного работать в более широком диапазоне внешних температур, а также способного работать при наличии помеховых сигналов от высокопроводящего грунта или его отдельных высокопроводящих участков.

Это достигается тем, что в переносное устройство для обнаружения подземных металлических объектов и определения их местоположения, содержащее три блока, первый из которых содержит передающую рамочную антенну, подсоединенный к ней первичной обмоткой первый трансформатор тока, высокочастотный генератор и кабельную часть первого электрического разъема, второй из которых содержит приемную рамочную антенну, подсоединенный к ней первичной обмоткой второй трансформатор тока и кабельную часть второго электрического разъема, и третий из которых - блок усиления и обработки сигналов - содержит фазовращатель, имеющий два входа и один выход, фазовый детектор, имеющий два входа, первый из которых соединен с выходом фазовращателя, и один выход, амплитудный детектор, вычитающий усилитель с устройством выборки-хранения, имеющий два входа и один выход, аналоговый модулятор низкой частоты, имеющий два входа и один выход, усилитель низкой частоты, первый источник постоянного напряжения, содержащий первую батарею гальванических элементов или аккумуляторов, отрицательный вывод которой соединен с общим для третьего блока проводником, механический выключатель, кнопку управления с нормально разомкнутыми контактами и приборные части первого и второго электрических разъемов, а также содержащее второй источник постоянного напряжения, в состав которого входит вторая батарея гальванических элементов или аккумуляторов, и прибор звуковой индикации, дополнительно введен четвертый блок, содержащий передающую и приемную кольцевые катушки, расположенные в одной плоскости и магнитно-развязанные между собой в окружающей среде, не содержащей проводящих и/или ферромагнитных объектов, и дополнительную кабельную часть второго электрического разъема, при этом выходы передающей и приемной кольцевых катушек соединены соответственно с пятым и параллельно соединенными третьим и четвертым контактами дополнительной кабельной части второго электрического разъема, а девятый и десятый контакты этой кабельной части разъема соединены с общим для этого блока проводником, а также введены вспомогательная кнопка управления с нормально разомкнутыми контактами, кабельная часть третьего электрического разъема, у которой второй и четвертый контакты соединены с выводами вспомогательной кнопки управления через отрезок двухпроводной линии, кабельная часть четвертого электрического разъема, идентичная кабельной части третьего электрического разъема, у которой первый и четвертый контакты соединены с выводами прибора звуковой индикации, в первый блок введены резонансный усилитель мощности, имеющий два входа и один выход, соединенный со вторичной обмоткой первого трансформатора тока, импульсный модулятор, имеющий один вход и один выход и второй и третий механические выключатели, при этом высокочастотный генератор выполнен на основе кварцевого резонатора с двумя входами, а его выход соединен с первым входом резонансного усилителя мощности, второй механический выключатель включен между выходом импульсного модулятора и первым входом высокочастотного генератора, третий механический выключатель включен в цепь питания узлов, входящих в первый блок, и соединен одним из своих выводов с первым контактом кабельной части первого электрического разъема, параллельно соединенные вход импульсного модулятора и второй вход высокочастотного генератора соединены с третьим контактом, второй вход резонансного усилителя мощности - с пятым контактом, а общий проводник блока - с шестым и седьмым контактами этой же части первого электрического разъема, во второй блок введены высокочастотный резонансный усилитель с электронной регулировкой усиления, сигнальный вход которого соединен со вторичной обмоткой второго трансформатора тока, а его выход и вход цепи управления - с третьим и шестым контактами кабельной части второго электрического разъема, при этом первый и десятый контакты этой части электрического разъема соединены с цепью питания высокочастотного резонансного усилителя и общим для этого блока проводником, а восьмой и девятый контакты этой части электрического разъема соединены между собой, в третий блок введены трехчастотный эталонный генератор, имеющий выход напряжения высокой частоты, соединенный с пятым контактом приборной части первого электрического разъема, выход напряжения частоты гетеродина и выход напряжения промежуточной частоты, соединенный с пятым контактом приборной части второго электрического разъема и со вторым входом фазового детектора, смеситель высокой частоты и частоты гетеродина, одновременно являющийся резонансным усилителем промежуточной частоты и имеющий два входа, первый из которых соединен с третьим контактом приборной части второго электрического разъема, и один выход, первый электронный выключатель, включенный между вторым выходом названного смесителя/усилителя и выходом напряжения частоты гетеродина трехчастотного эталонного генератора и своим управляющим входом соединенный с восьмым контактом приборной части второго электрического разъема, полосовой фильтр промежуточной частоты, соединенный своим входом с выходом смесителя/усилителя, усилитель промежуточной частоты с электронной регулировкой усиления, имеющий два входа, первый из которых соединен с выходом полосового фильтра промежуточной частоты, а второй - с выходом вычитающего усилителя с устройством выборки-хранения и шестым контактом приборной части второго электрического разъема, и имеющий один выход, соединенный с первым входом фазовращателя и входом амплитудного детектора, первый усилитель постоянного тока, вход которого соединен с выходом фазового детектора, приборные части третьего и четвертого идентичных электрических разъемов, компаратор, источник питающих первый, второй и третий блоки напряжений, оканчивающийся двумя входами и двумя выходами, у которого первый вход соединен с третьими контактами приборных частей третьего и четвертого электрических разъемов, второй вход - с положительным выводом первой батареи гальванических элементов или аккумуляторов, первый выход - с первым выводом первого механического выключателя, а второй выход - с первым входом компаратора, ждущий мультивибратор, соединенный своим входом с выходом компаратора, частотно-модулируемый генератор низкой частоты, имеющий три входа, первый из которых соединен с выходом ждущего мультивибратора, и один выход, соединенный с первым входом аналогового модулятора низкой частоты, стабилизатор напряжения, выход которого соединен со вторым входом частотно-модулируемого генератора низкой частоты и вторым входом компаратора, второй электронный выключатель, соединенный своим первым выводом с общим для третьего блока проводником, механический переключатель на три коммутируемых направления, у которого общий вывод соединен с третьим входом частотно-модулируемого генератора низкой частоты, вторым входом аналогового модулятора низкой частоты и вторым выводом второго электронного выключателя, второй вычитающий усилитель с устройством выборки-хранения, имеющий два входа, первый из которых соединен с выходом первого усилителя постоянного тока и третьим коммутируемым выводом механического переключателя на три коммутируемых направления, а своим выходом - со вторым входом фазовращателя, третий вычитающий усилитель с устройством выборки-хранения, соединенный своим выходом со вторым коммутируемым выводом механического переключателя на три коммутируемых направления, второй усилитель постоянного тока, соединенный своим входом с выходом амплитудного детектора, первым входом третьего вычитающего усилителя с устройством выборки-хранения и первым коммутируемым выводом механического переключателя на три коммутируемых направления, а своим выходом - с первым входом первого из названных вычитающих усилителей с устройствами выборки-хранения, одновибратор, вход которого соединен с первым выводом кнопки управления и вторыми контактами приборных частей третьего и четвертого электрических разъемов, а выход - с управляющим входом второго электронного выключателя и вторыми управляющими входами первого, второго и третьего вычитающих усилителей с устройствами выборки-хранения, при этом второй вывод первого механического выключателя соединен с первыми контактами приборных частей первого и второго электрических разъемов, вход усилителя низкой частоты соединен с выходом аналогового модулятора низкой частоты, а его выход - с первыми контактами приборных частей третьего и четвертого электрических разъемов, девятый и десятый контакты приборной части второго электрического разъема, третий, шестой и седьмой контакты приборной части первого электрического разъема, четвертые контакты приборных частей третьего и четвертого электрических разъемов и второй вывод кнопки управления соединены с общим для третьего блока проводником, а второй источник постоянного напряжения выполнен в виде отдельного, пятого блока, в состав которого введены пятый электрический разъем, к первому и седьмому контактам приборной части которого подключены положительный и отрицательный выводы второй батареи гальванических элементов или аккумуляторов, отрезок двухпроводного кабеля, у которого первый и второй провода своими первыми концами соединены с первым и седьмым контактами кабельной части пятого электрического разъема, и дополнительная кабельная часть третьего электрического разъема, третий и четвертый контакты которой соединены со вторыми концами первого и второго проводов отрезка двухпроводного кабеля.

На чертеже изображена функциональная схема переносного устройства для обнаружения подземных металлических объектов и определения их местоположения.

Переносное устройство содержит пять блоков: первый (передающий) 1, второй (приемный) 2, третий - блок усиления и обработки сигналов - 3 с размещенным в нем первым источником постоянного напряжения (первой батареей гальванических элементов или аккумуляторов), четвертый - блок передающей и приемной кольцевых катушек - 4, пятый - второй источник постоянного напряжения (вторая батарея гальванических элементов или аккумуляторов с узлами соединения с первым 1 и третьим 3 блоками) - 5, а также прибор звуковой индикации (например, головные телефоны) 6 и вспомогательную кнопку управления 7 с нормально разомкнутыми контактами. Третий блок 3 оканчивается приборными частями первого 8, второго 9, третьего 10 и четвертого 11 электрических разъемов (приборные части третьего 10 и четвертого 11 электрических разъемов выполнены индентичными). Четвертый блок 4 оканчивается кабельной частью 12 электрического разъема, идентичной кабельной части второго электрического разъема 9, и подсоединяется к блоку 3 после отключения от последнего блока 2. Прибор звуковой индикации 6 оканчивается кабельной частью четвертого электрического разъема 11, вспомогательная кнопка управления 7 - кабельной частью третьего электрического разъема 10 (кабельные части третьего и четвертого разъемов 10 и 11 могут подсоединяться и к приборной части четвертого 11 и к приборной части третьего 10 разъемов). В состав блока 5 кроме батарей гальванических элементов или аккумуляторов входят пятый электрический разъем 13, отрезок двухпроводного кабеля 14 и дополнительная кабельная часть 15 третьего разъема 10 (которая также может подсоединяться и к приборной части четвертого электрического разъема 11). Приборная часть пятого разъема 13 может соединяться также с кабельной частью первого разъема 8 (после отсоединения блока 1 от блока 3). Выводы прибора звуковой индикации соединены с первым и четвертым контактами кабельной части четвертого разъема 11. Выводы кнопки 7 через отрезок двухпроводной линии 16 соединены со вторым и четвертым контактами кабельной части третьего разъема 11. Положительный и отрицательный выводы второй батареи гальванических элементов или аккумуляторов 5 соединены с первым и седьмым контактами приборной части пятого разъема 13. Первый и второй провода отрезка двухпроводного кабеля 14 своими первыми концами соединены с первым и седьмым контактами кабельной части пятого разъема 13, а своими вторыми концами - с третьим и четвертым контактами дополнительной кабельной части 15 третьего разъема 11.

Первый блок 1 содержит передающую рамочную антенну (рамку) 17, первый трансформатор тока 18, подсоединенный к ней первичной обмоткой, выходной усилитель мощности 19, имеющий два входа и один выход, соединенный со вторичной обмоткой трансформатора 18, высокочастотный (кварцевый) генератор 20, имеющий два входа и один выход, соединенный с первым входом усилителя 19, импульсный модулятор 21, имеющий один вход и один выход, второй механический выключатель 22, включенный между первым входом генератора 20 и выходом модулятора 21, третий механический выключатель 23, включенный в цепь питания узлов 19, 20 и 21 и соединенный одним из своих выводов (нижним по чертежу) с первым контактом кабельной части первого разъема 8. Соединенные между собой вход модулятора 21 и второй вход генератора 20 и второй вход усилителя мощности 19 соединены соответственно с третьим и пятым контактами этой же части первого разъема 8. Шестой и седьмой контакты этой же части разъема 8 соединены с общим для блока 1 проводником.

Второй блок 2 содержит приемную рамочную антенну (рамку) 24, второй трансформатор тока 25, подсоединенный своей первичной обмоткой к антенне 24, и высокочастотный резонансный усилитель с электронной регулировкой усиления 26, имеющий два входа, из которых первый (сигнальный) соединен со вторичной обмоткой трансформатора тока 25, а второй (управляющий) - с шестым контактом кабельной части второго разъема 9. Выход усилителя 26 соединен с третьим контактом, цепь питания усилителя 26 - с первым контактом и общий проводник этого блока - с десятым контактом этой же части второго разъема 9. Восьмой и девятый контакты этой же части разъема 9 соединены между собой.

Третий блок 3 содержит трехчастотный эталонный (кварцевый) генератор 27, имеющий выход напряжения высокой частоты f₁, соединенный с пятым контактом приборной части первого разъема 8, выход напряжения частоты гетеродина f₂ и выход напряжения промежуточной частоты f₃=f₁-f₂, смеситель высокой частоты и частоты гетеродина, одновременно являющийся усилителем промежуточной частоты (смеситель/усилитель) 28 и имеющий два входа, первый из которых соединен с третьим контактом приборной части второго разъема 9, и один выход, первый электронный выключатель 29, включенный между выходом частоты гетеродина генератора 27 и вторым входом смесителя/усилителя 28 и своим управляющим входом соединенный с восьмым контактом приборной части второго разъема 9, полосно-пропускающий фильтр промежуточной частоты 30, соединенный своим входом с выходом смесителя/усилителя 28, усилитель промежуточной частоты с электронной регулировкой усиления 31 (УПЧ 31), имеющий два входа, первый из которых соединен с выходом фильтра 30, и один выход, фазовращатель 32, имеющий два входа и один выход, фазовый детектор 33, имеющий два входа, первый из которых соединен с выходом фазовращателя 32, а второй - с выходом промежуточной частоты генератора 27 и пятым контактом приборной части второго разъема 9, первый усилитель постоянного тока 34 (первый УПТ 34), вход которого соединен с выходом фазового детектора 33, амплитудный детектор 35, вход которого соединен с выходом УПЧ 31 и первым входом фазовращателя 32, первый источник постоянного напряжения 36, содержащий первую батарею гальванических элементов или аккумуляторов и оканчивающийся первым (положительным) и вторым (отрицательным) выводами, из которых последний соединен с общим для третьего блока проводником, источник питающих первый, второй и третий блоки напряжений 37, имеющий первый и второй входы, второй из которых соединен с положительным выводом источника постоянного напряжения 36, а первый - с третьими контактами приборных частей третьего и четвертого электрических разъемов 10 и 11, а также имеющий выходы питающего и контролируемого напряжений, первый механический выключатель 38 (подключенный одним выводом с выходом питающего напряжения источника 37, а другим - с первыми контактами приборных частей первого 8 и второго 9 электрических разъемов и цепями питания отдельных узлов третьего блока 3 (на чертеже цепи питания отдельных узлов блока 3 не показаны), компаратор 39, вход которого соединен с выходом контролируемого напряжения источника 37, ждущий мультивибратор 40, соединенный своим входом с выходом компаратора 39, частотно-модулируемый генератор низкой частоты 41, имеющий три входа, первый из которых соединен с выходом ждущего мультивибратора 40, и один выход, стабилизатор напряжения 42, выход которого соединен со вторым входом частотно-модулируемого генератора 41 и вторым выходом компаратора 39, аналоговый модулятор низкой частоты 43, имеющий два выхода, первый из которых соединен с выходом генератора 41, и один выход, усилитель низкой частоты 44, соединенный своим входом с выходом аналогового модулятора 43, а своим выходом - с первыми контактами приборных частей третьего и четвертого идентичных электрических разъемов 10 и 11, второй электронный выключатель 45, соединенный своим первым выводом с общим для третьего блока проводником, механический переключатель на три коммутируемых направления 46, у которого общий вывод соединен с третьим входом генератора 41, вторым входом модулятора 43 и вторым выводом выключателя 45, первый вычитающий усилитель с устройством выборки-хранения 47, выход которого соединен со вторым входом УПЧ 31 и шестым контактом приборной части второго электрического разъема 9, второй вычитающий усилитель с устройством выборки-хранения 48, соединенный своим первым входом с выходом первого УПТ 34 и третьим коммутируемым выводом переключателя 46, а своим выходом - со вторым входом фазовращателя 32, третий вычитающий усилитель с устройством выборки-хранения 49, соединенный своим выходом со вторым коммутируемым выводом переключателя 46, второй усилитель постоянного тока 50 (второй УПТ 50), соединенный своим входом с выходом амплитудного детектора 35, первым входом третьего вычитающего усилителя с устройством выборки-хранения 47 и первым коммутируемым выводом переключателя 46, а своим выходом - с первым входом первого вычитающего усилителя с устройством выборки-хранения 47, кнопка управления 51 с нормально разомкнутыми контактами, один вывод которой соединен с общим для третьего блока проводником, одновибратор 52, вход которого соединен с другим выводом кнопки управления 51 и со вторыми контактами приборних частей электрических разъемов 10 и 11, а выход - с управляющим входом второго электронного выключателя 45 и управляющими (вторыми) входами первого 47, второго 48 и третьего 49 вычитающих усилителей с устройствами выборки-хранения, при этом девятый и десятый контакты приборной части второго электрического разъема 9, третий, шестой и седьмой контакты приборной части первого электрического разъема 8 и четвертые контакты приборных частей третьего и четвертого разъемов 10 и 11 соединены с общим для третьего блока проводником.

Четвертый блок 4 содержит передающую 53 и приемную 54 кольцевые катушки, расположенные в одной плоскости и магнитно-развязанные между собой в окружающей среде, не содержащей проводящих и/или ферромагнитных объектов, и соединенные с пятым и параллельно соединенными третьим и четвертым контактами дополнительной кабельной части 12 второго разъема 9. Девятый и десятый контакты этой части второго разъема соединены между собой.

Работа переносного устройства для обнаружения подземных металлических объектов и определения их местоположения основана на возбуждении передающей рамочной антенной 17 или 53 магнитного поля в окружающем ее пространстве. Переменное магнитное поле, в свою очередь, порождает переменное вихревое электрическое поле. Вихревое электрическое поле создает в металлических объектах электродвижущую силу индукции, под действием которой в них протекают индукционные (вихревые) токи. Под действием наведенных токов в окружающем металлические объекты пространстве возникает переменное магнитное поле, характер которого зависит от формы предмета и взаиморасположения предмета и передающей рамки.

Передающая 17 и приемная 24 рамки, входящие в состав блоков 1 и 2, при поиске металлических объектов ориентируются друг относительно друга таким образом, чтобы в отсутствии металлических или ферромагнитных предметов в окружающем их пространстве взаимная индуктивность между ними была пренебрежимо мала. При использовании рамок 17 и 24 это достигается тем, что плоскость рамки 17 располагается в вертикальной плоскости, а плоскость рамки 24 - в горизонтальной, при этом ось симметрии рамки 24, лежащей в ее плоскости, совпадает с осью, проходящей перпендикулярно плоскости рамки 17 через ее центр. Кольцевые катушки 53 и 54 выполняются с жесткой, механической связью, как единое неразборное целое с пренебрежимо малой взаимной индуктивностью между ними (в окружающем кольцевые катушки пространстве, в котором отсутствуют металлические или ферромагнитные предметы).

Переносное устройство для обнаружения подземных металлических объектов и определения их местоположения работает в трех режимах: режим №1 - обнаружение крупных металлических объектов, трубопроводов и кабельных линий связи (КЛС); режим №2 - уточнение координат трубопроводов и КЛС; режим №3 - поиск металлических объектов с селекцией их по виду материала на два вида: ферромагнитные-неферромагнитные и определение их координат.

В режиме №1 блоки 1 и 2 закрепляются на концах штанги (трубы), входящей в комплект заявленного устройства. При поиске металлических объектов штанга располагается в горизонтальной плоскости, генераторная рамка 17 - в вертикальной и приемная рамка 24 - в горизонтальной. Блок 3 закрепляется на штанге в средней ее части. Блоки 1 и 2 соединяются с блоком 3 при помощи разъемов 8 и 9. Прибор звуковой индикации 6 (в описываемом ниже конкретном устройстве роль прибора звуковой индикации выполняют головные телефоны) соединяется с блоком 3 при помощи разъема 11. В режиме 1 к блоку 3 также может подключаться блок 5 при помощи разъема 15. При отрицательной температуре окружающей среды блок 5 можно помещать под одежду оператора. При поиске проводящих трасс штанга с находящимися на ней блоками ориентируется перпендикулярно вероятному направлению расположения трассы.

В режиме №2 блок 1 соединяется с блоком 5 при помощи приборной части разъема 13 и кабельной части разъема 8, а блок 2 - с блоком 3 при помощи разъема 9. В режиме №2 блоки 1 и 5 не связаны с другими блоками ни механически, ни электрически. В этом режиме, в отличие от режима №1, возможна генерация генератором 20 непрерывных высокочастотных колебаний и модулированных прямоугольными импульсами с частотой 10 Гц (при замыкании выключателя 22).

В режиме №3 с блоком 3 соединяется блок 4 при помощи кабельной части разъема 12 и головные телефоны 6. К блоку 3 также может подключаться блок 5 при помощи кабельной части разъема 15.

Вспомогательная кнопка управления 7 подключается к блоку 3 при отключенном от него блоке 5. Гибкая связь ее с блоком 3 облегчает работу оператора в процессе поиска металлических объектов (одной рукой оператор может одновременно держать штангу и нажимать кнопку 7).

В режиме №1 второй вход высокочастотного генератора 20 и вход импульсного модулятора 21 (в изготовленном нами устройстве частота генератора 20 составляла 100 кГц, частота импульсного модулятора - 10 Гц) оказываются соединены с общими проводниками блоков 1, 2 и 3. Цепи блокировок, размещенные в генераторе 20 и модуляторе 21, не позволяют возбудиться колебаниям ни в генераторе 20, ни в модуляторе 21 при подаче на них напряжения питания. После перевода выключателей 38 и 23 во включенное (замкнутое) положение на узлы, расположенные в блоках 1, 2 и 3, поступают питающие напряжения и заявленное устройство может использоваться по своему назначению.

В режиме №1 высокочастотное напряжение с частотой 100 кГц поступает с выхода напряжения высокой частоты трехчастотного эталонного генератора 27, размещенного в блоке 3, на второй вход резонансного усилителя мощности 19 через шестые контакты разъема 8. Усиленное высокочастотное напряжение поступает на вторичную обмотку первого трансформатора 18. Ток, протекающий по первичной обмотке трансформатора 18, возбуждает ток в передающей рамке 17. Протекающий по рамке ток, в свою очередь, возбуждает в окружающем ее пространстве переменное магнитное поле. Приемная рамка 24 принимает высокочастотный сигнал, переизлученный проводящим предметом, находящимся в зоне действия предлагаемого устройства. Принятый сигнал через второй трансформатор тока 25 поступает на вход высокочастотного резонансного усилителя с электронной регулировкой усиления 26, в котором он усиливается и через третьи контакты разъема 8 поступает на первый вход смесителя/усилителя 28, находящегося в блоке 3. В блоке 3 либо амплитуда сигнала, либо приращение амплитуды сигнала относительно предварительно зафиксированного уровня, либо изменение фазы сигнала преобразуется пропорционально в амплитуду и высоту звукового сигнала в головных телефонах.

Прошедший через полосно-пропускающий фильтр 30 сигнал поступает на вход УПТ 31. С выхода последнего сигнал поступает в канал обработки амплитуды и в канал обработки фазы сигнала. В канал обработки амплитуды сигнала входят амплитудный детектор 35, УПТ 50 и два вычитающих усилителя с устройствами выборки-хранения 47 и 49, в канал обработки фазы входят фазовращатель 32, фазовый детектор 33, УПТ 34 и вычитающий усилитель с устройством выборки-хранения 48.

В составе каждого вычитающего усилителя с устройством выборки-хранения (дальше назовем их как узлы 47, 48 и 49) имеется включенный последовательно в тракт усиления напряжения нормально разомкнутый электронный ключ, замыкаемый во время действия импульса длительностью 2-5 с, вырабатываемого одновибратором 52 после нажатия и отпускания кнопки управления 51. С выходной стороны каждого электронного ключа размещен шунтирующий усилительный тракт, высокодобротный запоминающий величину подаваемого на него напряжения конденсатор (время хранения напряжения на конденсаторе выбрано в пределах 3-5 мин). На один из входов вычитающего усилителя, входящего в состав узла 47, и на один из входов вычитающего усилителя, входящего в состав узла 48, подаются в качестве опорных напряжения, равные половине выходного напряжения источника 37. На один из входов вычитающего усилителя, входящего в состав узла 49, подается напряжение непосредственно с выхода амплитудного детектора 35. На другие входы вычитающих усилителей, входящих в состав узлов 47 и 48, подаются соответственно напряжения с выходов УПТ 50 и УПТ 34, а на другой вход вычитающего усилителя, входящего в состав узла 49, подается напряжение с выхода амплитудного детектора через электронный ключ, входящий в состав этого узла.

Напряжение, снимаемое с выхода узла 47, подается на управляющие входы усилителей 26 и 31. При этом устанавливается такое усиление высокочастотного тракта и тракта промежуточной частоты, что напряжения на обоих входах вычитающего усилителя, входящего в состав узла 47, становятся равными по величине. После размыкания электронного ключа напряжение на конденсаторе этого узла в течение 3-5 мин остается постоянным, и напряжение на выходе детектора 35 в течение этого времени будет изменяться в зависимости от изменения величины напряженности измеряемого магнитного поля.

Отсчет фазы принимаемого высокочастотного сигнала производится относительно одной и той же разности фаз между фазой опорного сигнала и фазой принимаемого сигнала, преобразованной в фазу сигнала промежуточной частоты. Одна и та же разность фаз автоматически устанавливается при равных напряжениях на входах вычитающего усилителя, входящего в состав узла 48. Это осуществляется путем изменения фазы сигнала фазовращателем 32 при воздействии на его управляющий вход напряжения, снимаемого с выхода узла 48.

В узле 49 отсчет приращения напряжения ведется от значения, существовавшего после нажатия и отпускания кнопки управления 51.

В процессе работы устройства (через 3-5 с после нажатия и отпускания кнопки управления 51) на первый коммутируемый контакт переключателя 46 поступает напряжение, пропорциональное амплитуде входного сигнала, на второй коммутируемый контакт - напряжение, пропорциональное приращению амплитуды входного сигнала, и на третий коммутируемый контакт - напряжение, пропорциональное изменению фазы входного сигнала.

Канал преобразования выходного аналогового напряжения, поступающего на общий вывод переключателя 46, в амплитуду и тон звукового сигнала состоит из частотно-модулируемого генератора низкой (звуковой) частоты 41, аналогового модулятора низкой частоты 43, усилителя низкой частоты 44 и головных телефонов 6. При помощи переключателя 46 выбирается необходимый параметр индикации: амплитуда входного сигнала (положение 1 переключателя 46), приращение амплитуды входного сигнала относительно предыдущего значения (положение 2 переключателя 46), изменение фазы входного сигнала (положение 3 переключателя 46). Выбранный параметр в виде медленно изменяющегося напряжения поступает с выхода переключателя 46 на третий вход генератора 41 и второй вход модулятора 43. В генераторе 41 изменяется частота генерации. Модулятор 43 изменяет амплитуду частотно-преобразованного сигнала. На выходе модулятора 43 присутствует низкочастотный сигнал, у которого с увеличением входного сигнала увеличиваются амплитуда и частота, а при уменьшении входного сигнала увеличивается амплитуда при уменьшении частоты. Усиленный усилителем 44 сигнал поступает на головные телефоны 6, где преобразуется в звук.

После нажатия и отпускания кнопки управления 51 под действием прямоугольного импульса, вырабатываемого одновибратором 52, электронный выключатель 45 закорачивает общий вывод переключателя на общий проводник (на 3-5 с). При этом частота низкочастотного сигнала в головных телефонах становятся минимальной, а амлитуда максимальной, что указывает оператору о процессе самоподстройки устройства (в это время устанавливаются необходимые коэффициенты усиления отдельных узлов в канале обработки амплитуды сигнала и необходимые фазовые соотношения в канале обработки фазы сигнала, запоминается текущее значение напряжения на выходе амплитудного детектора 35). Дальнейшие изменения громкости звука и его частоты в процессе работы с устройством контролируются оператором.

С каналом преобразования выходного аналогового напряжения в амплитуду и частоту звукового сигнала связан узел контроля достаточности напряжения питания, состоящий из компаратора 39 и ждущего мультивибратора 40, начинающего генерировать прямоугольные импульсы с частотой 2-3 Гц как только напряжение на втором входе компаратора 39 становится меньше допустимого для данного устройства (в нашем случае оно составляло 9 В). Во время каждого импульса, вырабатываемого ждущим мультивибратором 40, блокируется работа генератора 41. В результате звук в головных телефонах становится прерывистым, что сигнализирует о критическом падении напряжения питания устройства.

Работа блока 3 в режимах №1 и №2 происходит одинаково. В режиме №2 электронный выключатель 29 находится в разомкнутом состоянии, и на вход смесителя/усилителя 28 поступает сигнал, имеющий частоту f₃, с кольцевой катушки 54 (в этом случае смеситель/усилитель 28 выполняет роль усилителя сигнала). В режиме №3 распознавание материала металлов и сплавов по признаку: ферромагнитный-неферромагнитный производится в положение 3 переключателя 46 (это возможно только на частоте f₃).

В режиме №1 при поиске проводящих трасс оператор перемещает устройство перпендикулярно трассе и отмечает на поверхности земли два места, соответствующие максимальной громкости и максимальной частоте звука в головных телефонах. Минимальная громкость и минимальная частота звука в этом случае соответствует расположению приемной рамочной антенны над осью залегания трассы. Половина расстояния между максимумами вертикальной составляющей магнитного поля, зафиксированные приемной рамочной антенной и системой обработки принятого сигнала, равна расстоянию от горизонтальной плоскости, в которой располагается приемная рамка, до трассы. Уточнение координат трассы проводится в режиме №2 с установкой блока 1 и блока 5 над трассой. Поиск и определение координат объемных металлических объектов может проводиться и в режиме №3 (при использовании датчика из кольцевых катушек 54 и 54). Поиск и определение координат объекта в этом случае проводится по максимуму принятого сигнала. Селекция материалов объектов по признаку: ферромагнитный-неферромагнитный проводится в режиме №3 по фазовому признаку (в положении 3 переключателя 46).

По отношению к устройству-прототипу предлагаемое устройство обладает большей производительностью поисковых и измерительных работ (в предлагаемом устройстве нет ни одной внешней ручной регулировки, тогда как в прототипе их три), оно обладает расширенными функциональными возможностями, в частности позволяет проводить селекцию проводящих объектов по виду материала: ферромагнитный-неферромагнитный, способно работать при более низких температурах окружающей среды благодаря изоляции внешней батареи гальванических элементов или аккумуляторов от внешней среды. Помехи от проводящего грунта в предлагаемом устройстве устраняются автоматически.

Источники информации

1. Металлоискатели для поиска подземных коммуникаций FISHER TW-6 FISHER TW-770. http: // www.rodonit.com; http: // www.rodonit/fisher/f-tv6.htm.

2. Патент США №4348639, кл. G 01 V3/11, 3/165 (US C1 324/329), заявл. 18.03.1979, опубл. 07.09.1982 - прототип.

Формула изобретения

Переносное устройство для обнаружения подземных металлических объектов и определения их местоположения, содержащее три блока, первый из которых содержит передающую рамочную антенну, подсоединенный к ней первичной обмоткой первый трансформатор тока, высокочастотный генератор и кабельную часть первого электрического разъема, второй из которых содержит приемную рамочную антенну, подсоединенный к ней первичной обмоткой второй трансформатор тока и кабельную часть второго электрического разъема, и третий из которых - блок усиления и обработки сигналов - содержит фазовращатель, имеющий два входа и один выход, фазовый детектор, имеющий два входа, первый из которых соединен с выходом фазовращателя, и один выход, амплитудный детектор, вычитающий усилитель с устройством выборки-хранения, имеющий два входа и один выход, аналоговый модулятор низкой частоты, имеющий два входа и один выход, усилитель низкой частоты, первый источник постоянного напряжения, содержащий первую батарею гальванических элементов или аккумуляторов, отрицательный вывод которой соединен с общим для третьего блока проводником, механический выключатель, кнопку управления с нормально разомкнутыми контактами и приборные части первого и второго электрических разъемов, а также содержащее второй источник постоянного напряжения, в состав которого входит вторая батарея гальванических элементов или аккумуляторов, и прибор звуковой индикации, отличающееся тем, что в его состав введен четвертый блок, содержащий передающую и приемную кольцевые катушки, расположенные в одной плоскости и магнитно-развязанные между собой в окружающей среде, не содержащей проводящих и/или ферромагнитных объектов, и дополнительную кабельную часть второго электрического разъема, при этом выходы передающей и приемной кольцевых катушек соединены соответственно с пятым и параллельно соединенными третьим и четвертым контактами дополнительной кабельной части второго электрического разъема, а девятый и десятый контакты этой кабельной части разъема соединены с общим для этого блока проводником, а также введены вспомогательная кнопка управления с нормально разомкнутыми контактами, кабельная часть третьего электрического разъема, у которой второй и четвертый контакты соединены с выводами вспомогательной кнопки управления через отрезок двухпроводной линии, кабельная часть четвертого электрического разъема, идентичная кабельной части третьего электрического разъема, у которой первый и четвертый контакты соединены с выводами прибора звуковой индикации, в первый блок введены резонансный усилитель мощности, имеющий два входа и один выход, соединенный со вторичной обмоткой первого трансформатора тока, импульсный модулятор, имеющий один вход и один выход и второй и третий механические выключатели, при этом высокочастотный генератор выполнен на основе кварцевого резонатора с двумя входами, а его выход соединен с первым входом резонансного усилителя мощности, второй механический выключатель включен между выходом импульсного модулятора и первым входом высокочастотного генератора, третий механический выключатель включен в цепь питания узлов, входящих в первый блок, и соединен одним из своих выводов с первым контактом кабельной части первого электрического разъема, параллельно соединенные вход импульсного модулятора и второй вход высокочастотного генератора соединены с третьим контактом, второй вход резонансного усилителя мощности - с пятым контактом, а общий проводник блока - с шестым и седьмым контактами этой же части первого электрического разъема, во второй блок введены высокочастотный резонансный усилитель с электронной регулировкой усиления, сигнальный вход которого соединен со вторичной обмоткой второго трансформатора тока, а его выход и вход цепи управления - с третьим и шестым контактами кабельной части второго электрического разъема, при этом первый и десятый контакты этой части электрического разъема соединены с цепью питания высокочастотного резонансного усилителя и общим для этого блока проводником, а восьмой и девятый контакты этой части электрического разъема соединены между собой, в третий блок введены трехчастотный эталонный генератор, имеющий выход напряжения высокой частоты, соединенный с пятым контактом приборной части первого электрического разъема, выход напряжения частоты гетеродина и выход напряжения промежуточной частоты, соединенный с пятым контактом приборной части второго электрического разъема и со вторым входом фазового детектора, смеситель высокой частоты и частоты гетеродина, одновременно являющийся резонансным усилителем промежуточной частоты и имеющий два входа, первый из которых соединен с третьим контактом приборной части второго электрического разъема, и один выход, первый электронный выключатель, включенный между вторым выходом названного смесителя/усилителя и выходом напряжения частоты гетеродина трехчастотного эталонного генератора и своим управляющим входом соединенный с восьмым контактом приборной части второго электрического разъема, полосовой фильтр промежуточной частоты, соединенный своим входом с выходом смесителя/усилителя, усилитель промежуточной частоты с электронной регулировкой усиления, имеющий два входа, первый из которых соединен с выходом полосового фильтра промежуточной частоты, а второй - с выходом вычитающего усилителя с устройством выборки - хранения и шестым контактом приборной части второго электрического разъема, и имеющий один выход, соединенный с первым входом фазовращателя и входом амплитудного детектора, первый усилитель постоянного тока, вход которого соединен с выходом фазового детектора, приборные части третьего и четвертого идентичных электрических разъемов, компаратор, источник питающих первый, второй и третий блоки напряжений, оканчивающийся двумя входами и двумя выходами, у которого первый вход соединен с третьими контактами приборных частей третьего и четвертого электрических разъемов, второй вход - с положительным выводом первой батареи гальванических элементов или аккумуляторов, первый выход - с первым выводом первого механического выключателя, а второй выход - с первым входом компаратора, ждущий мультивибратор, соединенный своим входом с выходом компаратора, частотно-модулируемый генератор низкой частоты, имеющий три входа, первый из которых соединен с выходом ждущего мультивибратора, и один выход, соединенный с первым входом аналогового модулятора низкой частоты, стабилизатор напряжения, выход которого соединен со вторым входом частотно-модулируемого генератора низкой частоты и вторым входом компаратора, второй электронный выключатель, соединенный своим первым выводом с общим для третьего блока проводником, механический переключатель на три коммутируемых направления, у которого общий вывод соединен с третьим входом частотно-модулируемого генератора низкой частоты, вторым входом аналогового модулятора низкой частоты и вторым выводом второго электронного выключателя, второй вычитающий усилитель с устройством выборки-хранения, имеющий два входа, первый из которых соединен с выходом первого усилителя постоянного тока и третьим коммутируемым выводом механического переключателя на три коммутируемых направления, а своим выходом - со вторым входом фазовращателя, третий вычитающий усилитель с устройством выборки-хранения, соединенный своим выходом со вторым коммутируемым выводом механического переключателя на три коммутируемых направления, второй усилитель постоянного тока, соединенный своим входом с выходом амплитудного детектора, первым входом третьего вычитающего усилителя с устройством выборки-хранения и первым коммутируемым выводом механического переключателя на три коммутируемых направления, а своим выходом - с первым входом первого из названных вычитающих усилителей с устройствами выборки-хранения, одновибратор, вход которого соединен с первым выводом кнопки управления и вторыми контактами приборных частей третьего и четвертого электрических разъемов, а выход - с управляющим входом второго электронного включателя и вторыми, управляющими входами первого, второго и третьего вычитающих усилителей с устройствами выборки-хранения, при этом второй вывод первого механического выключателя соединен с первыми контактами приборных частей первого и второго электрических разъемов, вход усилителя низкой частоты соединен с выходом аналогового модулятора низкой частоты, а его выход - с первыми контактами приборных частей третьего и четвертого электрических разъемов, девятый и десятый контакты приборной части второго электрического разъема, третий, шестой и седьмой контакты приборной части первого электрического разъема, четвертые контакты приборных частей третьего и четвертого электрических разъемов и второй вывод кнопки управления соединены с общим для третьего блока проводником, а второй источник постоянного напряжения выполнен в виде отдельного, пятого блока, в состав которого введены пятый электрический разъем, к первому и седьмому контактам приборной части которого подключены положительный и отрицательный выводы второй батареи гальванических элементов или аккумуляторов, отрезок двухпроводного кабеля, у которого первый и второй провода своими первыми концами соединены с первым и седьмым контактами кабельной части пятого электрического разъема, и дополнительная кабельная часть третьего электрического разъема, третий и четвертый контакты которой соединены со вторыми концами первого и второго проводов отрезка двухпроводного кабеля.

РИСУНКИ

Рисунок 1