Магниточувствительные поисковые приборы.Арбузов Сергей Олегович МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ПОИСКОВЫЕ ПРИБОРЫ. Для поиска металлов в укрывающих средах – под землей, водой, снегом и т.д., используются несколько типов металлоискателей, отличающихся друг от друга прежде всего принципом действия – чувствительным элементом. Металлоискатели можно разделить на две основные группы: первая группа это индукционные (вихретоковые) металлоискатели, вторая группа магниточувствительные металлоискатели. Индукционые металлоискатели позволяют обнаруживать любые проводящие предметы, скрытые непроводящей или слабопроводящей средой. Индукционные металлоискатели работают по следующему принципу – возбуждающей катушкой индуктивности, по которой протекает импульсный или периодический ток, наводят в искомом проводящем объекте вихревые токи и системой сигнальных катушек принимают сигнал от наведенных (индуцированных) в объекте токов. По описанному принципу индукционные металлоискатели можно считать активными приборами, то есть, оказывающими воздействие на объект поиска. В данной статье мы сосредоточим свое внимание на магниточувствительных приборах, основное отличие которых от индукционных металлоискателей заключается в том, что эти устройства могут находить только ферромагнитные объекты. Ферромагнитные объекты обладают либо собственным магнитным полем, либо искажают однородное поле Земли, и в том и другом случае величина магнитного поля в зоне чувствительного элемента изменяет свою величину и направление. Это и является признаком ферромагнитного объекта. По отношению к искомому объекту эти приборы являются пассивными, то есть не оказывают на объект никакого воздействия. Самым главным параметром металлоискателя является его чувствительность, т.е. максимальная дальность обнаружения искомого предмета. При этом формализовать этот параметр, сделать его единым для всех металлоискателей практически невозможно и не только потому, что металлоискатели отличаются принципом действия, но и конструкцией преобразователей и функцией обработки сигнала, а также многообразием форм искомых предметов и свойств металлов. Для индукционных металлоискателей обычно используют в качестве эталонов чувствительности пластины круглой или квадратной формы из различных металлов и различных размеров. С помощью этих пластин можно сравнивать расстояния, на которых обнаруживают эти пластины разные индукционные металлоискатели. Такой способ определения чувствительности магниточувствительных металлоискателей неприемлем по тем причинам, что максимальная глубина обнаружения ферромагнитного предмета будет зависеть не только от размеров этого предмета, но и от его ориентации в пространстве и относительно чувствительного элемента, а также от степени намагниченности предмета. Принято при описании характеристик поисковых приборов для конкретизации чувствительности указывать глубину залегания предмета, формы, размеры и материал изготовления которого известен достаточному кругу людей. Для магниточувствительных металлоискателей принято чувствительность обозначать величиной магнитной индукции поля, которое способен зарегистрировать прибор. Обычно чувствительность измеряют в нанотеслах (нТл) 1нТЛ=(1Е-9)Т. Кроме чувствительности для определения качества прибора используют такой параметр, как разрешающая способность, который также измеряется в нанотеслах и определяет ту минимальную разницу индукции, которую возможно зарегистрировать прибором. Для того чтобы представить величину индукции магнитного поля, которое регистрируют современные магнитометры, достаточно вычислить величину магнитного поля, создаваемого проводник с током в 1 мА на расстоянии 0.1м. Поле Земли составляет величину примерно 35000nT. Это усредненная величина – в различных точках земного шара она меняется в диапазоне 35000 – 60000nT. Таким образом задача поиска ферромагнитных предметов состоит в том, чтобы на фоне природного поля Земли обнаружить приращение поля, обусловленное искажениями от ферромагнитных предметов. Существует несколько физических принципов и основанных на них типов магнитометрических приборов, позволяющих фиксировать минимальные изменения магнитного поля Земли или искажения, вносимые ферромагнитными объектами. Современные магнитометры обладают чувствительностью от 0.01nT до 1nT, в зависимости от принципа действия и класса решаемых задач. Рассмотрим наиболее распространенные физические принципы построения магнитометров. Первым методом, получившим наибольшее распространение, является метод, основанный на нелинейных свойствах ферромагнитных материалов. Чувствительные элементы, реализующие этот принцип, получили название феррозонды. Феррозонд представляет собой катушку индуктивности с нелинейным сердечником. Чаще всего в качестве такого сердечника используется пермаллоевая проволока. На рис.1 и 2 приведены чертеж и график, поясняющие принцип действия феррозонда. Рис.1 Рис.2 Если через катушку возбуждения пропустить переменный ток, который создаст переменное поле с амплитудой напряженности Нm и приложить к феррозонду соосное постоянное поле напряженностью Но, то на выходе приемной катушки феррозонда появится напряжение, пропорциональное постоянному магнитному полю Ho и с удвоенной частотой. Появление напряжения удвоенной частоты обусловлено нелинейной характеристикой сердечника феррозонда. Это напряжение и является сигналом, по которому судят о внешнем магнитном поле. Феррозонд является векторным прибором, т.е. выходной сигнал этого чувствительного элемента зависит не только от величины внешнего магнитного поля, но и от его направления относительно оси феррозонда. Это свойство феррозонда позволяет использовать его в качестве ориентационного в пространстве устройства относительно силовых линий поля Земли, однако для построения поискового магнитометра это свойство является скорее недостатком, поскольку в процессе поиска изменение ориентации преобразователя поискового прибора неизбежно. Как было сказано выше, поиск ферромагнитных объектов происходит на фоне природного поля Земли, превосходящего на пять порядков приращения поля, вносимые объектами поиска, поэтому для решения задачи устранения влияния ориентации должны быть приняты нетривиальные конструктивные и электронносхемные приемы. На рис.3 приведена схематическая конструкция преобразователя феррозондового поискового прибора, в котором влияние ориентации относительно силовых линии поля Земли в значительной степени компенсировано.
Рис. 3 Преобразователь представляет собой два включенных дифференциально и расположенных на одной оси и на определенном расстоянии (базе) друг от друга феррозонда. Каждый феррозонд в таком преобразователе называют полузондом. Юстировочные винты 1 и 2 обеспечивают взаимно перпендикулярное смещение полузондов относительно точек шарнирного крепления и позволяют тем самым добиваться высокой степени соосности полузондов. На рис.4 приведена электрическая схема дифференциального феррозондового преобразователя. Рис.4. Iген. – ток возбуждения
феррозонда; Uсигн. представляет собой сложногармонический сигнал, в котором информацию о величине внешнего магнитного поля несет разница амплитуд второй гармоники с каждого полузонда. Поскольку полузонды выполнены идентичными, то выходной сигнал не зависит от равномерного поля Земли, а определяется лишь градиентом внешнего поля. Феррозондовый преобразователь, выполненный по дифференциальной схеме (см. рис.3, 4) называют градиентометрическим или градиентометром. Процедура юстировки преобразователя позволяет в достаточной для практики степени исключить влияние на выходной сигнал пространственную ориентацию преобразователя относительно силовых линий магнитного поля Земли. Кроме этого преобразователь располагают конструктивно на вращающейся оси с тем, чтобы под собственным весом он всегда занимал вертикальное положение относительно земной поверхности, что целесообразно по двум причинам: во-первых силовые магнитные линии природного поля направлены под углом 400 к поверхности Земли и градиент поля от вносимых ферромагнитными предметами искажений будет максимален при сближении направления природного поля с осью преобразователя, во-вторых такое естественное расположение преобразователя снижает погрешности от пространственных колебаний преобразователя неизбежные при поиске. Конструкция ферозондового металлодетектора включает в себя штангу, с размещенными на ней батарейным блоком питания и электронным блоком, и феррозондовый преобразователь, вращающийся на оси перпедикулярной штанге и преобразователю. На рис.5 показано, как происходит искажение силовых линий магнитного поля Земли ферромагнитным предметом, что и фиксирует феррозондовый прибор.
Рис.5 Как говорилось выше, феррозондовый преобразователь является векторным прибором, т.е. выходной сигнал преобразователя зависит от величины и направления приложенного поля. Это позволяет получать дополнительную информацию об ориентации и размерах скрытого ферромагнитного объекта. На рис. 6 показана огибающая выходного сигнала преобразователя от протяженного предмета (труба) под землей.
Рис.6 С помощью феррозондового градиентометра возможно оценивать глубину залегания предметов, для чего необходимо прорисовать огибающую сигнала от предмета в координатах: U – уровень сигнала, L расстояние. Ширина этой огибающей на уровне 0.5 от максимума приблизительно равна глубине залегания предмета. На рис.7 показана огибающая сигнала с преобразователем при его перемещении над скрытым под землей объектом на расстоянии Н.
Рис.7 Наиболее известными серийными приборами в нашей стране являются феррозондовые металлодетекторы “Института доктора Ферстера (Германия). Это модели OGF, Ferex4.021 и Ferex 4.032. Ниже приведены технические характеристики и краткое описание металлодетекторов Ferex4.021 и Ferex 4.032 Металлодетектор Ferex4.021 предназначен для поиска ферромагнитных объектов под землей и под водой. Обычными объектами поиска являются неразорвавшиеся бомбы, трубы магистральных трубопроводов, силовые кабели, обломки судов и самолетов, потерпевших крушение. Прибор может быть использован для различных применений в зависимости от выставленного режима работы:
Ferex4.021 состоит из следующих базовых компонент:
В зависимости от практического применения существует три версии прибора отличающиеся друг от друга некоторыми изменениями в базовых компонентах и дополнительными принадлежностями. Металлодетектор Ferex4.021 позволяет обнаруживать большие ферромагнитные объекты на глубинах до 6 м, однако более крупные предметы могут быть обнаружены на значительно большей глубине. В таблице 1 приведены данные испытаний феррозондового металлоискателя Ferex 4.021 Таблица 1
Металлодетектор Ferex4.032 базируется на лучших характеристиках предыдущей модели Ferex4.021 и отличается от нее:
Технические характеристики:
Фото 1. Феррозондовый металлодетектор Ferromex 120 фирмы Unimex Handels Gmbh (Германия) Из российских разработок известен феррозондовый металлодетектор ФТ-100 (фото 2). Прибор разработан фирмой “АКА-КОНТРОЛЬ”, Москва. Это упрощенный вариант поискового прибора, в котором электроный блок и преобразователь образуют единую жесткую конструкцию, отсутствует точная юстировка полузондов, а об уровне сигнала судят по переменночастотному звуковому сигналу. Этим прибором поисковой группой “Экипаж” был обнаружен танк времен отечественной войны в озере на глубине 6 м.
Фото 2. Феррозондовый металлодетектор ФТ-100 Кроме феррозондовых металлодетекторов наибольшее распространение получили квантовые приборы, основанные на эффекте ядерного магнитного резонанса и эффекте Зеемана с оптической накачкой. В них реализованы более фундаментальные физические принципы и они обладают большей чувствительностью. В классическом представлении свободные микрочастицы, обладающие как магнитным, так и механическим моментом, прецессируют в постоянном магнитном поле. Частота прецессии (частота Лармора) пропорциональна индукции магнитного поля В. Различают квантовые магнитометры со свободной и вынужденной ядерной прецессией. В магнитометре со свободной ядерной прецессией ампула с рабочим веществом (водой или другой протоносодержащей жидкостью) помещается в приемную катушку, которая включена в перестраиваемый по частоте колебательный контур. Вспомогательное постоянное магнитное поле, более сильное, чем измеряемое, поляризует рабочее вещество в перпендикулярном рабочему полю направлении. После быстрого отключения вспомогательного магнитного поля моменты атомных ядер свободно прецессируют относительно направления измеряемого поля В с экпоненциально убывающей в течении 2 – 3 с амплитудой. При этом в приемной катушке наводится ЭДС с частотой прецессии (Лармора), которая измеряется частотомером. Чувствительность протонных металлдетекторов со свободной прецессией в слабых однородных полях порядка земного магнитного поля достигает 1 nT. В металлодетекторах с оптической накачкой рабочего вещества фиксируется частота высокочастотного генератора при ее совпадении с частотой инверсных квантовых переходов между подуровнями тонкого и сверхтонкого магнитного расщепления. Момент совпадения наблюдают по резонансному поглощению световой энергии, сопровождаемому рассеянием или переломлением света при его взаимодействии с атомами рабочего вещества. Чувствительность таких металлодетекторов достигает 1Е-13 Тл. Существует еще класс сверхпроводящих магнитометров (металлодетекторов) основанных на эффекте Джозефсона. В качестве измерительного преобразователя в таких магнитометрах используется сверхпроводящие квантовые интерфферометры (СКВИДы) постоянного или пременного тока. В магнитометрах со СКВИДом постоянного тока приращение внешнего магнитного потока преобразуется в осциллирующее напряжение на контактах чувствительного элемента: при измерении подсчитывается полное число осцилляций напряжения за время наложения потока. В магнитометрах со СКВИДом переменного тока осциллирующей функцией магнитного потока является полная индуктивность сверхпроводящего кольца и, следовательно, напряжение на связанном с ним высокочастотном колебательном контуре. В сверхпроводящих магнитометрах достигнут рекордный уровень чувствительности 10Е-15 Тл на частотах 0-1 Гц. Недостатком магнитометров со СКВИДом является необходимость поддержания условий сверхпроводимости в объеме чувствительного элемента с помощью жидкого гелия или азота. Это усложняет конструкцию прибора и делает неудобным эксплуатацию в полевых условиях. Общим недостатком квантовых и сверхпроводящих магнитометров является их низкое быстродействие по сравнению с феррозондовыми магнитометрами, что может приводить к пропуску объектов поиска при быстром сканировании. Ниже приведены краткие описания и технические характеристики квантовых и сверхпроводящих магнитометров. Новый высокочувствительный магнитометр СМАРТМАГ (SMARTMAG) c преобразователем на парах цезия с оптической накачкой обладает высоким разрешением, долговременной стабильностью и сравнительно высоким быстродействием. СМАРТМАГ это компактный и легкий прибор, преобразователь которого фиксируется на штанге, а графический экран с разрешением 64х240 точек отображает разнообразную графическую информацию о режимах и результатах поиска. Вместе с магнитометром СМАРТМАГ поставляется специально разработанная система программного обеспечения, которая позволяет выполнять обработку магнитных профилей, картирование и выборочный анализ аномалий. Программное обеспечение предусматривает удобство и простоту передачи данных и их обработку на любом IBM-совместимом компьютере. Технические характеристики магнитометра СМАРТМАГ:
Распространением магнитометра СМАРТМАГ в России занимается фирма Аэрогеотех”. GSM-19 современный протонный магнитометр (фирма GEM System, Канада), обладающий возможностью конфигурирования узлов и преобразователей для решения различных задач. GSM-19 может быть использован как пешеходный” магнитометр, с помощью которого возможно проводить почти непрерывный сбор данных на съемочном маршруте. Данные записываются через дискретные промежутки времени при перемещении прибора по маршруту. На каждом съемочном пикете оператор нажимает кнопку привязки полученных данных к опорным координатам. Для ускорения получения двумерной топологии магнитных аномалий возможна привязка магнитометра к опорным координатам, определяемых с помощью дифференциальной GPS-системы реального времени и навигационной опции. Точность определения координат в пределах 1 метра. GSM-19 возможно использовать для малоглубинных и глубинных морских съемок. В первом случае преобразователь магнитометра помещается в герметичную гондолу и на кабеле длиной до 100 м опускается под воду, во втором случае весь прибор с преобразователем опускается под воду в герметичной гондоле, рассчитанной на погружение до 300 м, и управление прибором и сбор данных идет через RS-232. Чувствительность GSM-19 достигает 0.02 нТ, диапазон 20000 – 100000 нТ. Емкость памяти прибора в зависимости от конфигурации и составляет от 6000 до 700000 измерений. Портативный цезиевый магнитометр-градиентометр G-858 обеспечивает высокую скорость поиска при высокой чувствительности. Прибор легко обнаруживает бочку на 6-метровой глубине. Благодаря высокому быстродействию возможно вести поиск быстрым шагом, покрывая в 10 раз большую площадь, чем с использованием предыдущих квантовых магнитометров, а с использованием горизонтального градиентометра возможно покрыть площадь поиска с 50% экономией времени. Технические характеристики G-858:
Переносной квантовый магнитометр ММ-60М1 (Россия) обладает высокой чувствительностью, быстродействием и стабильностью работы в неоднородных полях с градиентом до 2000нТл/м. Трехкамерная конструкция цезиевого магниточувствительного блока в сравнении с однокамерными приборами позволяет расширить в 3 4 рабочую угловую зону при одновременном снижении 1.5 – 2 раза ориентационных погрешностей. Технические характеристики магнитометра ММ-60М1:
Магнитометр квантовый калиевый МКК-01 (Россия, ГОИ) Магнитометр представляет собой радиоспектрометр, автоматически настраивающийся на частоту определенного перехода в спектре электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) паров калия, поляризуемых в основном состоянии с помощью оптической накачки. Магнитометр относится к классу самогенерирующих приборов, являясь квантовым генератором гармонического сигнала, частота которого связана известной зависимостью с модулем индукции поля. В первом приближении (с точностью лучше 1%) это линейная зависимость с коэффициентом пропорциональности 7Гц/нТл. Технические характеристики ММК-01:
СКВИД – магнитометр разработан в Новосибирском государственном техническом университете. Он обладает самой высокой чувствительностью среди описанных выше магнитометров: 2Е-13 Тл. При этом условие сверхпроводимости чувствительного элемента обеспечивается жидким азотом, что с точки зрения эксплуатационных расходов гораздо выгоднее, чем охлаждение жидким гелием. Тем не менее для полевых условий такой магнитометр неудобен из-за необходимости иметь запас жидкого азота, неизбежно испаряющегося из рабочего объема преобразователя. Приведенные выше характеристики квантовых и феррозондовых магнитометров свидетельствуют о более высокой чувствительности квантовых приборов. Именно чувствительность является определяющим параметром при выборе оборудования для поиска. Особенно это важно, когда приходиться обследовать огромные площади морского дна на больших глубинах. Однако часто задача поиска имеет граничные условия по глубине поиска или существует возможность приблизить преобразователь к уровню вероятного залегания объекта, например, при поиске с поверхности воды на удлиняющем кабеле. В этом случае определяющим становится низкая цена, простота и надежность поискового прибора. Феррозондовые приборы обладают как раз этими несомненными достоинствами. Кроме этого рабочее вещество квантовых приборов имеет непродолжительный срок службы и часто небезопасно для окружающей среды, что удорожает эксплуатацию. Все это объясняет применение феррозондовых поисковых приборов в ВС различных государств и появление новых модификаций приборов с феррозондовыми преобразователями. |
