Подводный металлоискатель
Работает подводный металлоискатель по принципу расстройки генератора и связанного с ним контура. Величина расстройки регистрируется стрелочным прибором.
Основа этого прибора — генератор, выполненный на триоде П-403 (Т1) и кварце К-1. Индуктивностью генератора является поисковая катушка.
Из поисковой катушки передается часть энергии на создание токов в металлической поверхности предмета. Это приводит к некоторому затуханию колебаний контура. В результате собственная частота контура меняется. Контур выводится из резонанса, что приводит к изменению коллекторного тока триода П-403 пропорционально затуханию, вносимому в контур металлическими массами. Величина вносимого затухания зависит от расстояния между поисковой катушкой искателя и предметом, а также от размеров предмета.
Изменение коллекторного тока триода П-403 усиливается двухкаскадным усилителем, выполненным на триодах П-103, МП-41, и регистрируется микроамперметром.
По отклонению стрелки прибора можно судить о габаритах и расстоянии от поисковой катушки до предмета.
Особенность усилителя — отсечка постоянной составляющей усиливаемого сигнала стабилитроном Д-1 (Д-807). Благодаря включению в схему стабилитрона напряжение на участке коллектор—эмиттер триода П-103 стабилизировано. Величина базового тока триода П-103 устанавливается с помощью сопротивления R4, в результате чего обеспечивается усиление только изменения величины коллекторного тока триода П-103.
Второй каскад усиления собран на триоде МП-41 и является плечом моста, в диагональ которого включен измеритель — микроамперметр. Второе плечо моста выполнено регулируемым (с помощью сопротивления R6) для ликвидации влияния постоянной составляющей усиливаемого тока. В третье плечо моста включен стабилитрон Д-2 (Д-807), что позволяет сильно уменьшить величину тока на участке R8 — (Д-2) при стабильной величине напряжения на входе микроамперметра.
Вследствие этого удалось добиться высокой электрической экономичности металлоискателя. Особенность примененной схемы в ее большой нелинейности, что определяется следующим. Малый предмет на пороге чувствительности схемы вызывает малое отклонение стрелки индикатора; предмет в десять раз больше вызывает отклонение стрелки индикатора только в два раза больше; предмет в 100 раз больше вызывает отклонение стрелки индикатора только в шесть раз больше, чем в первом случае. Это обеспечивает удобство поиска, позволяя без перестройки прибора точно определять местоположение предмета в грунте и даже приблизительно судить о его размерах.
Конструктивно металлоискатель выполнен в виде двух блоков — высокочастотного и индикаторного, соединенных между собой кабелем. Общий вид прибора показан на рис. 2. Поскольку связь между блоками выполнена по постоянному току — длина кабеля и его частотные свойства неограничены. Единственное требование к кабелю: его высокие изоляционные свойства, поскольку малейшая утечка тока неизбежно приведет к нарушению работы прибора. Нами применен кабель, выполненный из двух изолированных многожильных проводов сечением 0,2 мм2, помещенных в хлорвиниловую трубку.
Блоки смонтированы на концах штанги — бамбуковой палке, но можно применить и дерево, и пластмассу, и другие неметаллические материалы. Для удобства высокочастотный блок крепят к штанге с помощью поворотной вилки шарнирно, что позволяет задавать ему удобное положение при разных положениях аквалангиста.
Можно использовать две штанги разной длины — 200 мм и 850 мм. Это обеспечит удобство работы как под водой (штанга 200 мм), так и на суше.
В корпус высокочастотного блока можно установить поисковый контур низкой чувствительности, изготовленный на ферритовом стержне, и более чувствительный, рамочного типа.
Электрическая часть поисковой головки подсоединена к датчику с помощью деталей обычного радиотехнического разъема, место подключения уплотнено резиновым кольцом.
Внутри корпуса размещены все детали генератора. При этом следует учесть необходимость минимального пересечения металлических деталей генератора магнитным полем поискового элемента, в частности, кварц не должен иметь металлической оболочки, пластина кварца, плоскости которого металлизированы, должна лежать в одной плоскости с магнитным полем катушки, все металлические детали (сопротивления, конденсаторы и др.) должны быть предельно малого размера. Подстроечный конденсатор С2 должен иметь также малые габариты и очень плавную настройку. Для этого больше всего подходят подстроечные конденсаторы с винтовой настройкой, позволяющие перекрыть диапазон 5—30 пф за 10— 15 оборотов настроечного винта.
Сердечником поисковой катушки является феррит Ф 8 мм, длиной 160 мм.
Обмотка катушки состоит из семи витков многожильного провода ЛЭШО 15х0,05. При применении одножильного провода (ПЭ-05) чувствительность прибора несколько хуже. Особенность катушки — намотка обмотки вдоль сердечника, катушка как бы представляет сплющенную рамку. «Сечение» катушки составляет 16×0,8= 12,8 см2 вместо 0,505 см2 при обычной намотке. Это приводит к уменьшению плотности магнитного поля вблизи катушки и, следовательно, снижению чувствительности к весьма малым близлежащим предметам, а также грунту. Кроме того, во время работы катушка ориентируется своим магнитным потоком вертикально, что исключает помеху магнитного поля земли.
В случае использования более низкочастотных кварцев количество витков катушки следует оставить прежним, а введение контура в резонанс производится емкостью С1. Таким образом, меньше сказывается влияние емкости схема—грунт. Витки катушки в нескольких местах склеивают парафином. Применять для этого клей БФ-2 или эпоксидную смолу нельзя, так как они ухудшают высокочастотные свойства изоляции.
Катушку устанавливают с вертикальным положением магнитной оси обмотки в корпусе и заливают расплавленным парафином.
Кварц желательно иметь наиболее низкочастотный, поскольку чем выше частота, тем больше чувствительность схемы не только к металлу, но и к грунту, а также к воде. Слишком высокочастотные кварцы (более 1500 кгц) для работы в воде непригодны. Мы использовали кварц с частотой 1350 кгц. Перед установкой кварца необходимо проверить его рабочую частоту. Наиболее приемлемый кварц с частотой 500 кгц. Что же касается остальных деталей, то к ним предъявляются следующие требования:
сопротивления лучше применять типа УЛМ-0,125 вт;
триоды надо подбирать с максимальным усилением по току и стабильности. Даже незначительно меняющие свои параметры триоды совершенно непригодны;
потенциометры R4 и R6 пригодны любые, но вследствие частой их подстройки предпочтительнее типа СПО, как более долговечные;
стабилитроны Д-1 и Д-2 следует подобрать низковольтные — с напряжением стабилизации менее 7,5 в. Наиболее подходящие стабилитроны с напряжением стабилизации 4,5 в;
микроамперметр может быть любого типа с пределом измерения до 150 мка и малым внутренним сопротивлением;
источник питания — аккумулятор 7Д-0,1, применяемый в карманных транзисторных приемниках. Но этот источник тока вследствие малой емкости обладает недостаточной стабильностью и пригоден к работе в течение двух часов. В связи с этим предпочтительнее более мощный источник тока, например две батареи карманного фонаря КБС-0,5, тем более что подзарядку аккумулятора осуществлять в полевых условиях крайне трудно.
Изоляционный материал для корпуса генератора и поисковой катушки необходимо применять с хорошими высокочастотными свойствами. Таким является полистирол или с относительно удовлетворительными высокочастотными свойствами плексиглас.
Относительно большая толщина стенок высокочастотного блока необходима для уменьшения влияния между поисковой катушкой и генератором и обеспечения датчику большей тепловой инерции. На рис.2 даны чертежи высокочастотного блока, состоящего из корпусов поисковой катушки 2 и генератора 6, изготовленных из плексигласа. Заглушки 1 и4 выполнены также из плексигласа. Гайка сальника 8 и ручка 9 – из латуни. Схема столь чувствительна, что изменение индуктивности или емкости из-за изменения температуры вызывает значительное отклонение стрелки микроамперметра.
Конструкция корпуса индикаторного блока определяется габаритами микроамперметра, источников питания и расположением регулировочных сопротивлений (R4 , R6).
Наладка прибора начинается с генератора. Для этого он запитывается от схемы через добавочный микроамперметр, включенный в разрыв провода, соединяющего блок генератора с индикаторным блоком. Микроамперметр индикаторного блока при этом, во избежание повреждения, отключается. Напряжение питания на генераторе должно быть близким к напряжению, замеренному на выводах стабилитрона Д-1. Поскольку собственная частота кварца в каждом случае может быть разная, рекомендуем только методику настройки.
Сначала необходимо определить величину емкости С1 (в нашем случае равна 680 пф), для чего вместо емкости С1 надо подключить переменный конденсатор достаточно большой емкости статорными пластинами к коллектору триода П403 и, плавно поворачивая ротор, добиться резкого изменения тока в цепи питания датчика, соответствующего резонансу контура. Если ротор конденсатора будет введен полностью, а резонанс не наступит, следует увеличить емкость переменного конденсатора путем параллельного подключения к последнему постоянного конденсатора несколько меньшей емкости, чем переменный, полностью вывести пластины ротора и повторить операцию до получения резонанса. Затем, после введения контура в резонанс, нужно заменить переменный конденсатор постоянной емкостью. Так как замерить величину переменного конденсатора не всегда удается, определить последнюю можно путем поочередного подключения параллельно к переменному конденсатору известную по величине постоянную емкость, с выведением на такую же величину емкости ротора переменного конденсатора. Контролировать следует по резонансу контура. Определив таким образом величину емкости, обеспечивающую работу генератора с минимальным расходным током, надо подобрать один-два конденсатора соответствующей емкости и малых габаритов, обеспечивающих работу генератора с минимальным током в среднем положении подстроечного конденсатора С2. Окончательная подгонка должна вестись на забоксированных деталях прибора вследствие большой температурной чувствительности схемы, особенно, если включен усилитель.
При низком качестве триода П403 сопротивление R1 может потребоваться меньшей величины, но при этом снизится чувствительность металлоискателя.
При наличии соответствующих приборов и радиолюбительского опыта отладить генератор нетрудно.
После отладки генератора необходимо подобрать величину сопротивления R5 и R8 для обеспечения тока на стабилитроне порядка 1 ма. При этом нужно учитывать внутреннее сопротивление прибора, которым замеряете» величина тока.
Дальнейшая наладка заключается в подборе величин; сопротивлений R3 и R4. Для этого следует подключить, микроамперметр измерительного блока, удалить из зоны поискового элемента (примерно в радиусе 500 мм) металлические и магнитные материалы, установить потенциометры R4, R6 в среднее положение и изменяя величины сопротивлений R3 и R7, установить стрелку микроамперметра на несколько делений от начала шкалы.
После предварительной настройки схемы надо определить положение ее максимальной чувствительности. Для этого подстроечным конденсатором С2 добиваются максимального отклонения стрелки индикатора. В случае полного отклонения стрелки последнюю возвращают в среднее положение с помощью потенциометров R6, (грубая настройка) и R4 (тонкая). Зафиксировав положение максимального отклонения стрелки индикатора емкостью С2, возвращают стрелку индикатора в среднее-положение шкалы прибора. Затем на изоляторе подносят к датчику металлический предмет малых размеров, и фиксируют положение стрелки.
Наконец, сопротивлениями R4 и R6 перемещают стрелку в начало шкалы, а конденсатором С2 выводят ее на середину шкалы и опять проверяют чувствительность с помощью малого металлического предмета. Эта операция повторяется до тех пор, пока не выяснится зона максимальной чувствительности. Для обеспечения запаса регулировок не исключена корректировка величин С1, R3, R4 (если ручки управления при этом не имеют запаса хода).
После предварительной отладки нужно уточнить настройку максимальной чувствительности, увеличив расстояние между поисковым блоком и предметом так, чтобы она отклонила стрелку не более 5% шкалы, и определить, сколько раз стрелка должна пройти шкалу or момента полного резонанса (когда изменение емкости педстроечного конденсатора С2 меняет направление хода стрелки). Эта величина записывается на корпусе индикатора.
Подготовка прибора к работе заключается в следующем:
прибор погружают в воду и выдерживают в включенном состоянии 5—6 мин. для стабилизации температуры;
манипулируя ручками управления, определяют момент полного резонанса и затем последовательными манипуляциями этими же ручками стрелка отводится на соответствующее количество делений в зону максимальной чувствительности;
при поиске высокочастотный блок двигают параллельно и как можно ближе к исследуемой поверхности, наблюдая за положением стрелки. Отклонение стрелки пропорционально величине и близости до металлического предмета и больше у магнитопроводящих металлов. Если металлический предмет продолговатой формы, то отклонение стрелки при положении датчика вдоль предмета будет больше, чем при положении поперек. При больших металлических массах и малом расстоянии до предмета стрелка прибора отклоняется на всю шкалу и поэтому приходится увеличивать расстояние между предметом и поисковой катушкой.
Опыт работы с таким металлоискателем показал следующее:
высокочастотные приборы для действия в морской воде малопригодны, они предназначены для работы в пресной воде;
прибор сложен в наладке, но, несмотря на кажущуюся сложность подготовки к действию, работает хорошо;
на воздухе чувствительность прибора приблизительно на 30% выше, чем в воде;
различные по величине и материалу металлические предметы вызывают отклонение стрелки индикатора на одно деление с таких расстояний: канцелярская кнопка — 45 мм, монета 5 коп.-120 мм, крышка от кастрюли D250 мм — 460 мм;
рамочная катушка D 300 мм по отношению к крупным предметам имеет разрешающую способность в :2—2,5 раза выше, чем датчик на ферритовом стержне, а к мелким, даже близко расположенным предметам, рамочный датчик малочувствителен;
дальнейшая работа над прибором по повышению его чувствительности (прибора, работающего по принципу расстройки резонансных контуров) нецелесообразна вследствие влияния внешней среды;
повышения чувствительности можно добиться с помощью дифференциального магнитометра, регистрирующего искажение магнитного поля земли.
Описанный прибор сконструирован и изготовлен спортсменами-аквалангистами, в работе он показал хорошие результаты.
Журнал «Спортсмен-подводник».
Выпуск №32 — 1972г.
