VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
ИМПУЛЬСНЫЙ МЕТАЛЛОИСКАТЕЛЬ CLONE PI-W
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
I. Введение
Актуальность исследования:
В современном мире использование металлоискателей актуально , в основном, для обеспечения безопасности. Их используют в профессиональных видах деятельности, таких как промышленное дело, врачебное дело, военное дело, поисковое дело, человеческая деятельность . Их также применяют для поиска остатков Великой отечественной войны и других археологических раскопок.
Объект и предмет исследования: Объектом исследования является металлоискатель CLONE PI-W - установка для поиска объектов с помощью электромагнитных сил. Предметом исследования является возможность широкого использования данных установок.
Степень разработанности проблемы:
В 20-е годы в США были разработаны приборы, обнаруживающие инструменты и готовые изделия, выносимые рабочими с заводов. Приборы назывались металлодетекторы. Металлодетекторами заинтересовались военные. Во время Второй мировой войны быстро развивалась техника обнаружения металлов, и было разработано специальное оборудование для поиска мин.
Послевоенные металлоискатели работали на вакуумных лампах, были громоздки и потребляли много энергии. Лишь в середине 60-х годов были созданы малогабаритные, стабильные и чувствительные приборы, которые могли различать металлы и позволяли отстраиваться от влияния окружающей среды.
С каждым годом расширяется область использования металлоискателей в самых различных сферах.
Цель исследования: Создание работоспособной модели металлоискателя.
Задачи исследования:
Дать определение металлоискателям;
Объяснить принцип действия;
Изучить их применение на практике;
4. Собрать работоспособную модель металлоискателя для наглядной демонстрации его способностей;
Выяснить преимущества и недостатки металлоискателя;
Гипотеза исследования: Электромагнитные явления были исследованы давно, и на их основе было изобретено очень много вещей, которыми люди пользуются, и будут пользоваться в течение всей жизни. Одной из них являются металлоискатели.
Методы исследования:
1.Изучение информации по данной теме по следующим источникам:
- Интернет-сайты с информацией о металлоискателях
- СМИ (рубрики)
2. Проведение практической работы по сборке работоспособной модели металлоискателя
3.Интерпретация результатов
Научная новизна: Современные модели металлоискателей способны выполнять такие полезные функции, как обнаружение металла, определение, к какой группе он относится, определение размера находки, глубины её залегания, точного местоположения, отсеивание минералов грунта и металлического мусора. Тем не менее, и сегодня возможности металлоискателей ограничены: ни один даже самый лучший прибор не сможет найти монету на глубине свыше 70 см, показать химический состав находки, показать её контур на экране. В будущем металлоискатели наверняка будут наделены подобными функциями.
Практическая значимость: Существует масса разновидностей металлоискателей, корпус которых адаптирован под определенные условия работы. В различных модификациях данные приборы применяются в следующих направлениях: поиск металла в грунте, обнаружение археологических ценностей, досмотр людей для допуска их на ответственные объекты, контроль качества пищевых продуктов на наличие в них металлической стружки, в медицине для поиска стальных протезов и штифтов у больных, прибывающих в бессознательном состоянии, перед исследованием в МРТ, в военном деле для обнаружения мин и скрытых боеприпасов. Практическая значимость этой работы состоит в возможности ее использования как демонстрационного материала на уроках и внеклассных мероприятиях по физике.
Структура работы: Работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованных источников и литературы.
II.Основная часть
Глава 1. Металлоискатели: определение, виды, строение и принцип действия
Металлоискателем является индуктивный прибор, позволяющий обнаружить предметы из металла в слабо проводящей среде. Данные приборы используются специалистами в профессиональных видах деятельности. Рассмотрим основные технические характеристики :рабочая частота, чувствительность, дискриминатор, балансировка грунта, вес, дополнительные функции.
Принцип действия и рабочая частота дают основную характеристику возможностей устройства. Они показывают, к какому типу можно отнести прибор, от простого грунтового до профессионального.
Чувствительность показывает на какой глубине устройство способно найти предмет, размером с монету. Посмотрев в технический паспорт, можно увидеть две цифры -минимальную и максимальную глубину обнаружения. Зачастую, этот показатель варьирует от 10-50 см до 60-150 см. Однако есть глубинные модели, созданные для обнаружения предметов под 5-ти метровым слоем земли.
Дискриминатор позволяет металлодетектору реагировать только на определенный вид металла. Много железосодержащего мусора можно найти под землей: фольгу от сигаретных пачек, алюминиевые банки, крышечки от бутылок и т.д. Благодаря дискриминатору, можно значительно упростить работу оператора.. Чем больше количество программ заложено в память дискриминатора, тем легче работать с металлоискателем.
Балансировка грунта позволяет настроить устройство на тот тип почвы, в котором проводится работа. Перепады минерализации грунта могут давать ложные сигналы, что затрудняет работу прибора. Большинство детекторов настраивают этот показатель автоматически.
Целеуказание можно отнести к дополнительным функциям. Суть этой программы сводится к настройке поиска на определенный размер предмета.
Все вышеперечисленные технические характеристики помогают понять возможности металлодетектора. Однако успешность его работы зависит от настроек, которые вносит пользователь. Рассмотрим их подробнее.
Задачи металлоискателя зависят от его типа и рабочего направления :
- Грунтовый металлоискатель – предназначен для поиска кладов, монет и ювелирных изделий, металлолома. Как правило, построен по индукционной технологии. Имеет множество настроек, специальную функцию для определения металла, из которого предположительно состоит объект в земле. Глубина обнаружения объектов от 20 см до 1 метра:
- Военный металлоискатель (миноискатель) – предназначен для поиска преимущественно мин. Как правило, построен на принципе приём-передача. Имеет минимум настроек. Глубина обнаружения мины от 20 см (советский миноискатель ИМП) до 1 метра (современные военные миноискатели ИМП-2);
- Досмотровый металлоискатель – ручной металлоискатель, предназначенный для служб безопасности. Служит для обнаружения на теле человека металлических предметов (пистолет, нож). Дальность обнаружения пистолета Макарова – до 25 см;
- Арочный (рамочный) металлоискатель – досмотровый металлоискатель, используемый для контроля больших потоков людей, например, в метро, на вокзалах. Представляют собой рамку, через которую проходит человек;
- Глубинный металлоискатель – предназначен для поиска больших глубинных целей. Имеет две разнесённые друг от друга катушки, либо одну большую рамку с катушкой. Основан на принципе приём-передача. Отличительной особенностью данного вида металлоискателей является то, что он реагирует не только на металлы, но и на любые изменения в глубине грунта (переходы от одной почвы к другой, старые фундаменты зданий и т. д.). Глубина обнаружения объектов от 50 см до 3 метров;
- Магнитометр – предназначен для поиска ферромагнитных предметов (например, железо). Данный вид металлоискателей самый компактный и самый чувствительный, так как поисковая головка может поместиться на ладони.
Каждый металлоискатель по-своему индивидуальный. Одно из отличий и выражений индивидуальности металлоискателя – это выбор метода, на котором будет основано построение металлоискателя. Существует множество методов реализации. По принципу работы металлоискатели бывают: индукционные, импульсные, частотные, реагирующие на изменение добротности.
Индукционный металлоискатель работает по принципу прием-передача. В устройстве может быть одна или две катушки индуктивности. Одна работает как излучатель, а вторая служит приемником. В отдельных случаях обе роли выполняет одна катушка. Излучаемый сигнал проходит сквозь нейтральные предметы (почва, древесина и пр.) и при попадании на металл отбивается обратно, после чего фиксируется чувствительным элементом металлоискателя. Данное оборудование является относительно простым и зачастую может ремонтироваться в домашних условиях. Такие устройства обладают плохой чувствительности на определенных типах грунтов, поэтому эффективно далеко не во всех условиях.
Импульсные металлоискатели возбуждают в зоне поиска импульсные вихревые токи, после чего измеряют вторичное электромагнитное поле. Вихревые токи реагируют на затухающие электромагнитные поля, что обеспечивает более высокую чувствительность, чем у индукционного оборудования. Мощность индикации прибора отличается в зависимости от длины и массы обнаруженного предмета. Такие устройства нечувствительные к сложным грунтам с большой минерализацией. Их главным недостатком является большое потребление энергии, поэтому на одном заряде батареи добиться продолжительной автономной работы невозможно.
Частотный металлоискатель имеет в основе LC-генератор. Он выдает сигналы с различной частотой, которая меняется при приближении к металлическим объектам. Изменения в его работе фиксируются чувствительным оборудованием металлоискателя. Такие устройства имеют простую схему и часто собираются своими руками из недорогих покупных деталей. Их недостатком является малая чувствительность, поэтому оборудования, работающего по данному принципу ,лучше избегать, если требуются сложные поиски.
Металлоискатели, которые фиксируют добротность колебательного контура, работают тоже от LC-генератора. Добротность контура снижается при уменьшении расстояния между катушкой и металлическим предметом. То же самое касается и амплитуды колебаний на самом генераторе. Подобные устройства очень экономичные в плане потребления заряда, поэтому отличаются большой автономностью.
Глава 2. Применение металлоискателей
С каждым годом расширяется область использования металлоискателей в самых различных сферах. Для военных металлоискатель - это прежде всего миноискатель. Здесь не требуется способность прибора различать металлы. В охранных структурах и криминалистике металлоискатель применяется сейчас шире, чем где-либо. Любой человек сталкивался с подобными приборами при входе в банк, аэропорт или ночной клуб. Прежде всего - это "ворота", при проходе через которые можно обнаружить даже незначительные металлические предметы. Ни одно предприятие по производству пищевых продуктов не обходится без металлоискателя. Незаменимы металлоискатели в строительстве и в процессе ремонтных работ. Не обойтись без этого прибора, если нужно составить проект реконструкции старого здания, на которое отсутствуют чертежи расположения балок и других несущих конструкций, а если необходимо проследить как проходит в земле трубопровод или электрический кабель ,то незнание расположения проводки может привести к непоправимым последствиям. Избавить от ненужной работы поможет металлоискатель. В процессе обработки древесины, особенно поступающей из пригородных лесов, в стволах попадаются гвозди и другие металлические предметы. Избежать поломки пилы или другого оборудования можно только, проверив древесину металлоискателем. Специальная рамка, установленная перед циркулярной пилой, автоматически остановит транспортер при обнаружении металла в древесине. При сортировке мусора на мусороперерабатывающих предприятиях возникает необходимость избавить, например, макулатуру от металлических предметов. Обнаружить и удалить немагнитные металлические объекты можно только индукционным металлоискателем.
При добыче полезных ископаемых, особенно самородного золота, металлоискатель просто незаменим. Многие прииски в Америке, Австралии и других странах пережили второе рождение, когда при помощи металлоискателей производительность труда старателей увеличилась в десятки раз. Археологу металлоискатель поможет определить наиболее перспективное место для детальных раскопок, даст возможность извлечь интересные находки там, где сплошные раскопки просто невозможны по разным причинам.
Глава3. Преимущества и недостатки
Принцип работы импульсных металлоискателей основан на временном разделении сигналов излучения и приеме отраженного сигнала. Т.е. в катушку на короткий промежуток времени закачивается импульс большой амплитуды (десятки или сотни вольт), при воздействии на металлический объект такими импульсами, на поверхности металла возникают вихревые токи. Эти токи и являются источником сигналов для металлоискателя. Их регистрацию металлоискатель производит в перерывах между импульсами. Поэтому катушка металлоискателя служит сразу и приёмной и передающей. Импульсные металлоискатели являются самыми чувствительными, среди всех типов металлодетекторов, и имеют наилучшую глубину поиска. Металлоискатель Clone PI W – это несколько упрощенная версия металлоискателя Clone PI AVR, в ней жидкокристаллический экран заменен на светодиоды. Также в металлоискателе были урезаны органы управления и оставлены только самые необходимые функции. Изначально металлоискатель проектировался как подводная версия Клона, но стал очень популярным и на грунте. Датчик сделан из одинарной катушки, являющейся передающей и принимающей. Это значительно упрощает сборку и исключает трудоемкую настройку. Размер катушки можно подбирать самостоятельно в зависимости от целевого назначения металлоискателя. Упрощенная схема в сравнении с качественными металлоискателями.Простая кнопочная регулировка.Уменьшение энергопотребления удалось добиться благодаря удалению энергоемкого экрана. Недостатки: большое потребление (100-160 мА), есть редко распостранённые детали; менее стабилен в работе, более чувствителен к наводкам и помехам. Отсутствие дискриминации. Необходимость прошивки микросхемы.
Глава 4. Практическая часть
Технические характеристики металлоискателя «Clone PI W »:
Индикация: светодиодная; звуковая многотональная;
Режим поиска- статический;
Дискриминация:отсутствует
Напряжение питания:12 В
Металлоискатель Clone PI W практически не нужно настраивать, вся его настройка сводится к следующим действиям. Включаем прибор вдали от металлических предметов и включенных электрических приборов, и дожидаемся , пока пройдет вся шкала светодиодов. После чего подносим контрольный металлический предмет, например, монету и проверяем чувствительность металлоискателя. Затем подкручиваем подстроечный резистор, перезагружаем металлоискатель и снова проверяем чувствительность. Повторяем манипуляцию до тех пор, пока не добьемся наилучшего результата.
Практическая часть заключается в сборке работоспособной модели металлоискателя. (см.приложение№ )
План работы:
Составить и начертить принципиальную схему будущего металлоискателя;
Нарисовать рисунок с примерным расположением компонентов цепи;
Сделать чертежи модели;
Собрать модель;
Проверить модель на работоспособность;
Вывести некоторые характеристики устройства;
Характеристики модели:
Питание: напряжение 12 -16 В , потребляемый ток 30- 40 мА;
Чувствительность : мелкие предметы (монетка , проволока) 20-25см, крупный черный металл 70-80 см.
Вес: 1,9 кг.
П ринципиальная схема металлоискателя:
Заключение
Проделав исследовательскую работу я тщательно изучил металлоискатели , выяснил область их применения, выявил преимущества и недостатки. Также собрал работоспособную модель металлоискателя. Изучив характеристики модели можно сказать, что при более тщательной подборке компонентов можно будет увеличить его чувствительность и уменьшит вес, придать более презентабельный вид. Главным преимуществом данной модели является то, что она не реагирует на неметаллические ископаемые. Уже сегодня металлоискатель применяется широко, но я уверен, что его потенциал раскрыт не полностью и вскоре появятся новые сферы его применения. Устройство, которое я собрал, дает хорошую возможность использовать его в практических целях, таких как очистка территории от металлического мусора и проведение опыта по демонстрации явления электромагнитной индукции на уроках физики.
Использованная литература
1. Интернет –ресурсы
- http://electro-shema.ru/metaldetector/clone-pi-w.html
- http://www.miriskateley.com/metalloiskatel-clone-pi-w-svoimi-rukami
- https://md-kit.ru/clone-pi-w-svoimi-rukami
-https://forum.cxem.net/index.php?/topic/47662-clone-pi-w
2..Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Чаргун В.М. Физика 11, «Просвещение», М., 2010Г., 339 С
3. Иродов И.Е. Основные законы электромагнетизма, «Стереотип», М., 1991 г., 288 с.
Приложения
Приложение №1 .Схема устройства.
Приложение №2. Детали металлоискателя.
Приложение 3. Готовый металлоискатель
Приложение №4. Находки