Wykrywacz metali ze zrównoważoną indukcyjnością od podstaw

[Tomasz Gumny]

Uznałem, że trochę za długo już oprogramowuję "cudze" sprzęty i żeby nie zostać "sprzętowym" wtórnym analfabetą muszę zaprojektować coś od podstaw. Wybór padł na wykrywacz metali. Jakiś czas temu bawiłem się wykrywaczami impulsowymi. Główną wadą wykrywaczy tego typu jest brak "dyskryminacji" a właściwie identyfikacji rodzaju wykrytego metalu.
O wykrywaczach dudnieniowych (Beat Freuency Oscillator, BFO), impulsowych (Pulse Induction, PI) i ze zrównoważoną indukcyjnością (Induction Balance - IB, Very Low Frequency - VLF, Transmit-Receive - TR) można poczytać w EdW 4 i 5/1998 (czy jest archiwum EdW w internecie?). Były również projekty wykrywaczy impulsowych: AVT-2874 (EdW 8/2008) i AVT-5196 (EP 7/2009). Projektu wykrywacza z dyskryminacją nie pamiętam.
W internecie można znaleźć projekty wykrywaczy IB, ale w większości są to schematy wzorowane na konstrukcjach z lat 80..90-tych ubiegłego wieku.
Na początek założenia projektu:
wykrywacz ze zrównoważoną indukcyjnością (IB);
identyfikacja i dyskryminacja (ignorowanie) wybranych metali (ferro- lub diamagnetyków);
powtarzalna sonda (cewka nadawacza i odbiorcza) z łatwym równoważeniem i dostrajaniem.
Reszta jest sprawą otwartą. Chętnie posłucham pomysłów i sugestii osób "będących w temacie". Niezależnie od tego będę powoli opracowywał projekt i tutaj przedstawiał do dyskusji.
Mamy nowe forum, więc spróbuję zrobić projekt "po nowemu" - zobaczymy co z tego wyjdzie.
Dlaczego w tym dziale? Bo docelowo ma powstać z tego projekt i zestaw do montażu oraz opisujący go artykuł w EP. Lepszego działu nie znalazłem, więc może mnie stąd nie wygonią.


Edit Pajączek: Myślę, że nie wygonią, choć nie wiem, czy lepszym działem nie było by DiY, ze względu na cel tematu. Na razie zobaczymy jak się rozwinie.

[Tomasz Gumny]

Na początku trzeba wybrać układ cewek w sondzie (searchcoil). W praktyce spotyka się 2 rodzaje sond: współosiową (concentric) i OO (lub DD).

Sondy koncentryczne równoważy się przez zmianę liczby zwojów i/lub deformację cewki kompensującej. Sondy OO (DD) równoważy się przez zwiększanie lub zmniejszanie wspólnej powierzchni cewki nadawczej i odbiorczej.
Ze względu na powtarzalność zamierzam wykonać sondę na płytce drukowanej. Dlatego układ współosiowy w zasadzie odpada, bo trudno byłoby obliczyć właściwą liczbę zwojów i odpowiednie ułożenie a nie bardzo mogę sobie pozwolić na wielokrotne próby.
Łatwiejsza w wykonaniu i zrównoważeniu wydaje się sonda w konfiguracji DD. W opinii wielu osób sondy tego typu mają nieco mniejszy zasięg, ale lepiej radzą sobie w trudnym (mocno zmineralizowanym) gruncie.
Założyłem, że sonda będzie zbudowana z dwóch identycznych dwustronnych płytek drukowanych. Jedna płytka z cewką będzie nadawcza, druga taka sama - odbiorcza. Równoważenie ma się odbywać przez większe lub mniejsze nasunięcie płytek na siebie.
Po zrównoważeniu sondy, płytki będzie można skręcić (plastikowymi) śrubkami lub skleić a po całkowitym uruchomieniu pomalować żywicą epoksydową. Wafel o grubości 3mm (2 x 1.5mm) powinien mieć wystarczającą sztywność mechaniczną.

[Tomasz Gumny]

Przyjąłem, że cewki będą miały po 80 zwojów, po 40 na każdej stronie. Zewnętrzna średnica "mechaniczna" sondy wynosi około 22.5cm. Ze względów technologicznych szerokość ścieżek i odstęp między nimi został ustalony na 8 milsów (0.2mm). 40 zwojów ma szerokość prawie 16mm, dlatego "elektryczna" średnica cewki jest nieco mniejsza i wynosi ok. 20.8cm, czyli nieco ponad 8".
Programy CAD kiepsko wspomagają rysowanie takich udziwnionych cewek, dlatego został wykorzystany program graficzny. Dzięki uprzejmości Tomka D. (jeszcze raz dziękuję!) powstała taka "płytka":

Ze wstępnych obliczeń wynika (może ktoś się pokusi o sprawdzenie?), że długość ścieżki na jednej stronie wynosi ok. 21m, zatem całej cewki 42m. Ścieżka o szerokości 0.2mm z miedzi o grubości 35µm ma przekrój 0.0071mm². Odpowiada to mniej więcej drutowi o średnicy 0.1mm. W temperaturze 25°C rezystancja cewki powinna wynieść około 100Ω. Dla cewki odbiorczej to nie ma znaczenia, ale nie wiem jak będzie w przypadku cewki nadawczej.
Przy gęstości prądu 3A/mm² ścieżki powinny bezpiecznie wytrzymać 21mA a ze względu na znaczną powierzchnię do oddawania ciepła zapewne 2..3 razy więcej. Zatem z tej strony raczej nie powinno być problemów z cewką nadawczą.
Indukcyjności nawet nie próbuję obliczyć - zmierzę dopiero, gdy dostanę płytki (podobno już się robią!).

[Tomasz Gumny]

Czekając na cewki można się zająć konstrukcją elektroniczną.
Układ wykrywacza można zrealizować na kilka sposobów:
HH - tor analogowy - sprzętowy, ustawianie i sygnalizacja - sprzętowa;
HS - tor analogowy - sprzętowy, ustawianie i sygnalizacja - programowo;
SS - tor analogowy - sprzęt tylko do przetworzenia na wielkość cyfrową, całe przetwarzanie, ustawianie i sygnalizacja programowa.
Rozwiązanie HH wydaje się nieco anachroniczne, chociaż nadal jest stosowane i ma swoich zwolenników.
Przetwarzanie całkowicie programowe SS wymagałoby bardzo wydajnego procesora i duuuuużo czasu na stworzenie oprogramowania. Chociaż jest to niewątpliwie przyszłość wykrywaczy, ja na razie wybieram HS, czyli tor sygnałowy zrealizowany za pomocą układów analogowych a procesor zajmie się obsługą... użytkownika.
Przyznam, że to co pojawi się w cewce odbiorczej jest dla mnie w dużej mierze niewiadomą. Wiarygodnej literatury opisującej wykrywacze od strony teoretycznej jest bardzo mało. W zasadzie jedynym źródłem wiedzy na temat technologii stosowanych w wykrywaczach są opisy patentowe zgłoszone przez czołowe firmy z tej branży.
Na początek chcę spróbować zaaplikować układ AD8302 firmy Analog Devices. Wprawdzie ten układ jest przeznaczony do częstotliwości radiowych (do 2.7GHz), ale producent przewiduje stosowanie go również w niższym zakresie - AN-691.

W zasadzie AD8302 byłby kompletnym torem analogowym wykrywacza IB, gdyby ktoś w AD nie pomylił się przy wyborze detektora fazy. A szkoda, bo sygnały z cewek można by podać bezpośrednio na wejścia AD8302 (niebieskie połączenie) i cieszyć się gotowym układem. Problem polega na tym, że w wykrywaczu IB faza sygnału w cewce odbiorczej jest przesunięta od -90° do +90° względem sygnału w cewce nadawczej (zależnie od właściwości obiektu pod sondą) a detektor fazy w AD8302 nie odróżnia przesunięcia dodatniego od ujemnego (wykres czerwony na rysunku).
Można sobie z tym poradzić na kilka sposobów:
dołączać układ przesuwający fazę dodatkowo o kilka stopni. Jeśli jesteśmy na lewym zboczu, to po dołączeniu układu napięcie na wyjściu detektora fazy wzrośnie. Jeśli przesunięcie jest dodatnie, to sygnał wyjściowy spadnie.
zbudować układ przesuwający fazę sygnału odebranego o 90°. Dla jednej częstotliwości rzecz byłaby do zrobienia, ale nie chcę zamykać sobie drogi do zmiany częstotliwości pracy generatora.
Wstępnie wybrałem trzecie rozwiązanie:
generator zasilający cewkę nadawczą sygnałem SIN będzie równocześnie generował sygnał COS przesunięty w fazie o 90° i to sygnał COS będzie podawany na wejście referencyjne AD8302. Dzięki temu detektor fazy w AD8302 będzie pracował na zboczu zaznaczonym na zielono.
Przy odrobienie zachodu można nawet amplitudę sygnału COS związać z amplitudą sygnału SIN dzięki czemu na wyjściu GAIN nadal będziemy mieli informację o stosunku RX do TX a nie tylko o bezwzględnej wartości RX. To uniezależniłoby wskazanie GAIN od napięcia zasilającego generator.

[Piotr Piechota]

Witam

W wykrywaczu IB faza sygnału w cewce odbiorczej jest przesunięta od -90° do +90° względem sygnału w cewce nadawczej (zależnie od właściwości obiektu pod sondą)

Ale mówimy o sygnale w przypadku idealnego (nie do zrobienia) wyzerowania cewek lub w przypadku namierzania z bliskiej odległości "Rudego 102". W rzeczywistości po zsumowaniu sygnału "zera" oraz sygnału obiektu - zmiany kąta i amplitudy są bardzo małe. Spróbuję jutro pokazać to na oscylogramach z moich eksperymentów.

PP

[Tomasz Gumny]

Nie strasz mnie... Zakładam, że zmiany amplitudy od małego obiektu mogą być maskowane przez duży sygnał od gruntu. Dlatego trochę obawiam się tych wzmacniaczy logarytmujących w AD8302 - przy dużym sygnale od gruntu, wzmocnienie spadnie o dekadę lub dwie i sygnał od obiektu może zniknąć. Jednak jeżeli już jakiś sygnał od obiektu wykryję, to zakładam, że przesunięcie fazy będzie zgodne z teorią.
P.S. Cieszę się Piotrze, że tu trafiłeś.

[Tomasz Gumny]

No dobrze... Gdyby się okazało, że sygnał obiektu ginie na tle gruntu, to można by zastosować nieco uwspółcześnioną wersję tradycyjnej konfiguracji:

Czyli budujemy osobny kanał dla gruntu (z własnym AD8302) i odejmujemy jego sygnały wyjściowe (fazy i amplitudy) od sygnałów wyjściowych głównego toru. AD8302 ma nawet przewidziane do tego wzmacniacze odejmujące.

[Piotr Piechota]

Witam

Obiecane oscylogramy. Cewka DD średnicy ok 25cm. Testy z odległości ok 5cm dla obiektów:
pierścionek ferrytowy fi=2cm, obrączka złota, 5 zł, łożysko 6000Z (fi=25mm).
Dla wykrywacza są to sygnały ogromne.
Kanał czerwony to sygnał z cewki odbiorczej po wzmacniaczu różnicowym, niebieski to sygnał z cewki nadawczej. W oscyloskopie zastosowany filtr wejściowy 10 kHz oraz uśrednianie (8 przebiegów). Sygnał jest stabilny.

test powietrza

pierścionek ferrytowy

5 PLN

łożysko

złota obrączka

Pozdrawiam

Edit
Konfiguracja kanału B nie jest porwana. Kształt sygnały oczywiście poprawny a amplituda o ile pamiętam ok 20V p-p

[Krychu]

Po zrównoważeniu sondy, płytki będzie można skręcić (plastikowymi) śrubkami lub skleić a po całkowitym uruchomieniu pomalować żywicą epoksydową. Wafel o grubości 3mm (2 x 1.5mm) powinien mieć wystarczającą sztywność mechaniczną.

Zawsze jako ten czepialski, muszę o czymś powiedzieć. Wafel taki wbrew pozorom nie będzie sztywny mechanicznie. Oczywiście jeśli mówimy o "czystych" dwóch PCB bez żadnej osłony - wtedy takie coś odpada. Po sklejeniu ze sobą dwóch płytek należałoby je umieścić we wcześniej przygotowanej wytłoczce, najlepiej z ABSu 3,5 mm. Dopiero taką sondę zalać żywicą, aczkolwiek miejsca o dużej powierzchni wcześniej należałoby wypełnić np. styropianem tak, by jedynie jak najmniej miejsca zostawić dla żywicy, gdyż waga cewki bardzo przybierze na wadze. Zanim jeszcze żywica by zastygła, przydałoby się przygotować kolejną płytkę PCB najlepiej z laminatu 1,5 mm, wyciętą pod kształt obudowy sondy. Wtedy taką płytkę należałoby nakleić na zastygającą żywicę tak, by po wyschnięciu móc wypełnić brzegi lub ew. pęknięcia/szpary klejem dwuskładnikowym. Chodzi o to, że czysta żywica epoksydowa łatwo się wykrusza i nie jest to najlepszy materiał do tego typu urządzenia i do tego typu zastosowań. Przyklejona od spodu płytka zapobiegałaby wykruszaniu się żywicy. Uszy sondy najlepiej byłoby wykonać także, z "pasków", ABSu, wygiętego pod kątem 90 stopni. I najlepiej byłoby, aby uszka te były zalane żywicą (otwory w obudowie cewki i potem włożone w nie od środka uszka). Klejenie na wierzchu mogłoby po pewnym czasie doprowadzić do urwania się uszek, najczęściej, gdy szukalibyśmy po lesie wśród badyli, krzaków, gdzie cewka ciągle by coś napotykała na swojej drodze.

Nie wiem jak wygląda elektronika Pana wykrywacza, nie wiem jak będzie wyglądało równoważenie sondy, na jakiej częstotliwości będzie pracował wykrywacz, itd., itd., ale czy aby strojenie sond DD byłoby łatwiejsze od koncentrycznych? Chodzi właśnie o to, że ma Pan możliwość kompensowania poprzez zmianę położenia cewek. Jeśli jednak przyjąć, że uzwojenia oraz całą cewka (jej, powiedzmy, obudowa) będzie musiała mieć konkretny wymiar (raczej trzeba będzie, gdyż trochę dziwnie wyglądałyby wykrywacze niby te same, a każdy z cewką o troszkę innym kształcie czy wymiarze) to wydaje mi się, że zastosowanie konfiguracji CC byłoby łatwiejsze, gdyż zmiana położenia w obudowie byłaby trudniejsza. Nie zawsze "bawienie się" oznacza trud. Ten, kto jest doświadczony w równoważeniu sond może mieć mniej problemów z sondą koncentryczną niż sondą DD. Warunek jest jeden - miejsce, gdzie będzie strojona sonda musi być bez elementów metalowych (min. 1 m) oraz możliwie o jak najmniejszym stopniu zakłóceń.

Pozdrawiam, K.

[Piotr Piechota]

Ja bym jeszcze zaproponował pozostawienie w PCB cewek miejsce na mostek. W miejsce mstka wlutować odcinek przewodu którym można zrównoważyć cewki po sklejeniu.

[Tomasz Gumny]

Piotr
1. Skąd się bierze ta wstępna różnica faz w powietrzu? Masz jakieś filtry?
2. Widzę tylko niewielkie przesunięcie fazy między powietrzem a 5zł i złotą obrączką. Nie bardzo widzę wpływ ferrytu (rozumiem, że to symulacja gruntu?) i łożyska na fazę a jedynie na amplitudę.
Czy mógłbyś trochę szerzej zinterpretować te wykresy?

[Tomasz Gumny]

[...]Po sklejeniu ze sobą dwóch płytek należałoby je umieścić we wcześniej przygotowanej wytłoczce, najlepiej z ABSu

Dodatkowa obudowa choćby termoformowana raczej odpada, przynajmniej w podstawowej wersji. Najpierw chciałbym sprawdzić jakie parametry będzie miała sonda wykonana na pcb. Jeśli będą akceptowalne i da się ją poprawnie i trwale zrównoważyć, to będziemy myśleć o obudowie. W sumie można takie dwie sklejone płytki owinąć paskami płótna szklanego i nasączyć żywicą równocześnie wklejając uszy do przykręcania sztycy.

[...] Uszy sondy najlepiej byłoby wykonać także, z "pasków", ABSu, wygiętego pod kątem 90 stopni. I najlepiej byłoby, aby uszka te były zalane żywicą (otwory w obudowie cewki i potem włożone w nie od środka uszka).

Może jakiś szkic?

Nie wiem jak wygląda elektronika Pana wykrywacza

Ja też. Na pewno będę chciał, aby program obsługi wspomagał użytkownika przy równoważeniu sondy na tyle, żeby nie był potrzebny oscyloskop.

[Piotr Piechota]

1) Wstępna różnica faz zależy od zerowania. Wydaje mi się że rozsuwając lub zsuwając cewki dostajemy fazę +-180 stopni. Teoretycznie jak ustawimy 0 stopni amplituda też będzie zero tylko że się nie da . Dodatkowo może być na przebiegach przesunięcie o 180 stopni - zależy do którego bieguna nadajnika podłączyłem sondę oscyloskopu.

2) Różnica między ferrytem (gruntem) a żelazem rzeczywiście nie jest duża ale jest - też będzie zależeć od zerowania cewek. Sygnały można sobie wyobrazić jak wektory o współrzędnych: składowa zgodna i składowa przesunięta o 90 stopni. Wektory od metalowych przedmiotów to niestety małe wektory w stosunku do wektora "zera". To co mamy na oscylogramach to suma tych dwu wektorów dlatego zmiany są takie małe.
Ty w swoim wykrywaczu chcesz mierzyć długość i nachylenie tych wektorów - ja w swoim mierzę składowe X i Y. W poprzedniej swojej konstrukcji też mierzyłem amplitudę i kąt tyle że pomiary były całkowicie cyfrowe (Przetwornik AC zaraz na początku wykrywacza)
Troszkę zamotałem pewnie nie do końca jasno.
To co napisałem to są moje przemyślenia i nie należy ich traktować jak pewnik.

Pozdrawiam

[Tomasz Gumny]

1) Dodatkowo może być na przebiegach przesunięcie o 180 stopni - zależy do którego bieguna nadajnika podłączyłem sondę oscyloskopu.

180° mnie nie dziwi. Dziwi mnie właśnie, że to nie jest dokładnie 180° (lub 0°).
Resztę rozumiem... mniej więcej. Co sądzisz o układzie z torem gruntu na dodatkowym AD8302?

[Piotr Piechota]

Co sądzisz o układzie z torem gruntu na dodatkowym AD8302?

Powinno zadziałać tylko myślę że nie należy na stałe przesuwać fazy o 90 tylko w sposób regulowany.
Nie chcę Ci wywracać projektu do góry nogami ale może łatwiej jednak zastosować detektor fazo czuły zbudowany z prostownika synchronicznego. Masz na wyjściu składowe XY.

[Tomasz Gumny]

Nie chcę Ci wywracać projektu do góry nogami [...]

Zastosowanie AD8302 nie jest jeszcze przesądzone.
Przesunięcie sygnału COS o 90° ma tylko "naprawiać" detektor fazy z AD8302 tak, żeby dawał na wyjściu jednoznaczny sygnał przy różnicy faz sygnałów wejściowych w zakresie +/-90°, bo normalnie działa od 0° do 180°. Natomiast sygnał gruntu GND byłby generowany osobno na podstawie danych zebranych podczas strojenia wykrywacza do gruntu.

[Krychu]

Wiem, że zazdrościcie Picasso... Ale myślę, że jasno się "namalowałem"

Pozdrawiam.

PS: Detektor będzie posiadał ID tonalną? Jeśli tak, to ile tonów?

PPS: Fotka jest troszkę za duża, proszę kliknąć na nią prawy przyciskiem myszy, po czym "Pokaż obrazek".

Edit Pajączek: Na prośbę założyciela tematu, obrazek zmieniłem/dodałem jako załącznik użytkownika Krzychu. Po części załatwiło to również kwestię nie wyświetlania się całego obrazka (a by zobaczyć szczegóły i tak trzeba kliknąć w niego, może to jednak być już zwykły lewoklik bez żadnych "udziwnień").

[Piotr Piechota]

To ok.
Musisz jeszcze sobie poradzić z sygnałem "zera".
Może dodatkowa cewka na PCB sterowana napięciem "zerującym". A może do sygnału z odbiornika dodać "sygnał zerujący". Kiedyś miałem ochotę zrobić takie eksperymenty ale brakło zapału.

[Tomasz Gumny]

Wiem, że zazdrościcie Picasso...

Zawsze twierdziłem, że 1 rysunek = 1000 słów.
Proponuję zamieszczać obrazki na serwerze forum, bo z obcych po pewnym czasie zostaną usunięte i wątek stanie się dziurawy. Nie bardzo widzę możliwość przekładania uszu przez płytkę, bo tam gdzie wypadłyby podłużne wycięcia jest akurat uzwojenie. Wstępnie założyłem, że do mocowania posłużą 2 otwory i plastikowe śruby plus ewentualnie klej:

PS: Detektor będzie posiadał ID tonalną? Jeśli tak, to ile tonów?

Jak dojdę do tego etapu, to będę chciał się dowiedzieć co to takiego. Ostatnio jestem zafascynowany, trochę z konieczności, kostkami ISD, więc może identyfikacja nie tonalna a głosowa?

[Tomasz Gumny]

Musisz jeszcze sobie poradzić z sygnałem "zera".

A coś bliżej? Czy chodzi o sygnał wynikający z niedoskonałego zrównoważenia sondy?