PI detektor kovů

Marek Vondra, UREL, FEEC, VUT Brno
xvondr00stud.feec.vutbr.cz
projekt zveřejněn také na www.pandatron.cz a www.hw.cz

Detektory kovů se všeobecně používají k hledání kovových pozůstatků z dávných dob a nejen jich, lze pomocí nich hledat i zdroje vody. Tento projekt obsahuje návrh pulzního indukčního detektoru kovů, který se v základu skládá z nosné konstrukce, vysílače-přijímače (cívky) a samotného obvodu pro detekování, tedy vzorkovacího obvodu, integrátoru, řídícího obvodu, spínacích prvků a pomocných obvodů.

Vysílač a přijímač mají společnou cívku. Při vysílání je nejprve umožněn průchod proudu do cívky z baterií, cívkou tak prochází poměrně velký proud, protože má malý odpor vodiče a zahřívá se během funkce. Zahřívání postupně ovlivňuje vlastnosti detektoru a je potřeba měnit je během funkce. Délka sepnutí proudu je zhruba 4% z doby periody, aby nedošlo k přehřátí cívek a poškození přístroje. Frekvence spínání je dána potřebou, jaký materiál chceme hledat. Nižší frekvence mají schopnost dosáhnout větší hloubky a větší citlivosti na předměty vyrobené ze stříbra, však méně citlivé jsou na nikl a slitiny zlata. Vyšší frekvence jsou více citlivé na nikl a slitiny zlata, však méně citlivé na stříbro.

Přijímač slouží pro příjem vyslaného pulzu. Pokud je v detekčním prostoru pole kovový předmět, absorbuje se část vyslané energie a změní se čas odezvy k přechodu pulzu na nulu. Přijaté pulzy se omezují pomocí diody na méně než jeden volt, protože jejich spičková velikost může být i 400V. Poté se přijatý signál, který je tvořen vysílaným pulzem a přijatým pulzem, zesílí zhruba o 60dB, což odpovídá zesílení 1000 krát v místě, kde signál poklesne na nulu.

Zesílený signál je přiveden do vzorkovacího obvodu, který je synchronizován s vysílačem. Porovnává se sled vyslaných a přijatých impulzů, přičemž přijaté impulzy budou širší, což detekuje přítomnost kovu. Nejcitlivější místo pro vyhodnocování je nejbližší místo poklesu signálu k nule, což je typicky 20 miliontin sekundy po vypnutí vysílače. Je to bohužel také místo, kdy je PI detektor nejméně stabilní, odražený pulz je pak v rozkladu k nule v rozsahu 30 až 40 miliontin sekundy.

Pomocí integrátoru se převádí signál na stejnosměrné napětí, aby bylo možno detekovat předmět. Čím více se detektor blíží k předmětu, tím více je toto napětí větší a je pak možno přímo vyhodnocovat umístění předmětu. Napětí se přivádí na akustický měnič nebo na jinou informační jednotku (diody, display).

Krom těchto klíčových částí hraje roli spousta dalších faktorů, jako je např. diskriminace, pozemní bilance, filtrování signálu a použité filtry, linearita zesilovače, přizpůsobení cívky, zahřívání cívky, doba ustálení cívky po proudovém impulzu nebo i automatické či ruční ladění.

Realizace

Nosná konstrukce

Pro uživatele je nosná konstrukce neméně důležitá, jako zbylé součásti detektoru. Detektor by měl být dobře uchopitelný, ale také by měla být nízká jeho hmotnost. Důležité je i jeho rozložení hmotnosti. Konstrukce také musí být odolná.

Pro splnění těchto bodů byla zvolena hliníková trubka o průměru 25 mm s tloušťou stěny 1,5 mm jako nosná část, na které je umístěna krabička s obvody detektoru a baterie, viz obr. 1. Trubka je prohnutá pro lepší možnost uchopení. Na vrchní části je umístěna krabička s detektorem, která je i kapku natočena pro lepší náhled pozorovatele na display, a je připevněna ohnutým plechem. Pod krabičkou je prostor pro uchopení. Zbylá část trubky slouží jako podpěra pro paži a také je na jejím konci umístěna baterie pro vyvážení detektoru. Baterii je lépe použít menší, stačí např. 12 V/1,3 Ah. Na konec trubky je vhodné umístit např. opěrátko pro paži.

Obr. 1.: Detektor

Pro vytvarování hliníkové trubky je potřebné ji ohnout. Hliník je lehký a pevný, i když poměrně měkký materiál. Při jeho ohýbání hrozí prasknutí. Vhodným způsobem pro ohýbání je otěsnit trubku z obou stran a naplnit ji jemným pískem, který je potřeba zadusat. Trubka se pomalu ohýbá podle nějakého předmětu určující radius ohnutí. Pokud se ohýbá trubka ve svěráku, je lepší její nesevřené strany utáhnout spojkou, aby se při ohýbání příliš nevytláčely ven.

Hliníková trubka je doplněna o plastovou vodovodní trubku o stejném průměru, na které je připevněna cívka. Uchycení cívky k trubce je vhodné pomocí ohybného kloubu nebo jeho obdoby. Dále pak je lepší, aby tyto součásti byly plastové a neovlivňovaly tak cívku v funkci. Hliníková a plastová trubka jsou spojeny vodovodní spojkou pro trubky o průměru 25 mm. Spoj sice částečně drží pomocí omotaného drátu, ale je lepší ho upevnit pomocí závlaček, aby se trubky ze spojky nevysouvaly.

Detekční cívka

Pro detekrory kovů je možno použít několik druhů cívek, např. rámová, DD cívka, Lorenzova, pavučinová, atd. K tomuto detektoru byla vyrobena pavučinová cívka z drátu o průřezu 0,8 mm2 s izolací, který byl namotán na překližkovou šablonu. Vnitřní průměr cívky je 10 cm a vnější 22 cm, viz. obr. 2. Počet zářezů musí být lichý, aby bylo možno vytvořit požadovaný obrazec a cívka nezabírala na šabloně příliš mnoho místa. Počet závitů cívky je 42 a parametry se blíží hodnotám L = 400 uH a R = 1,7 Ohm. Tyto hodnoty by byly ideální pro chod detektoru.

Obr. 2.: Cívka namotaná na šabloně

Cívku na šabloně je již možné použít, ale hrozí její poškození. Proto byla jedna strana pokryta montážní pěnou, u které se pak zarovnala tloušťka, aby bylo možné vložit polotovar do misky od květináče, který poskytl ochranu pro cívku a bylo pak snadnější cívku připevnit ke konstrukci. Zbytek místa v misce byl pak vyplněn opět montážní pěnou a po zarovnání výšky vrstvy byl povrch přelepen pevnou tkaninou, viz obr. 3.

Obr. 3.: Konečná verze cívky

Obvody detektoru

Srdcem detektoru je mikroprocesor. Pro konstrukci byl použit mikroprocesor ATmega8-16PU. Výhoda oproti zapojení s PIC tohoto detektoru je v odstranění A/D převodníku, který vnášel do zapojení zpoždění funkce, nepřesnost a detektor byl více citlivý na okolní vlivy.
Nejprve v programu dochází k základní inicializaci, tedy inicializace LCD displeje, registrů a nastavení vektorů přerušení. Přerušení je povoleno z tlačítek a vnitřního čítače/časovače. Dále jsou v základu zadefinovány tři kmitočty a to 10 MHz, 1,6 MHz a 200 kHz. To je z důvodu rychlosti pulzů, kterými bude spínána cívka. Od nich se pak i na počátku programu vypočítávají časy, se kterými se bude pracovat pro správné odečítání hodnot (viz. teoretický úvod). Jsou tak určeny intervaly jak dlouho bude cívka sepnuta a jak dlouhé je rozmezí pro příjem. Dále pak, jaký je rozdíl mezi časy impulzů. Pro inicializace displeje jsou pevně dány časové konstanty 80 ms, aby proces proběhl správně.
Po počátečním nastavení započne spínání cívky. Impulzy jsou přijaty, zasíleny a převedeny pomocí A/D části mikroprocesoru. Data se pak v mikroprocesoru zpracovávají. Je potřeba zjistit změnu signálu a vyhodnotit, zda je v blízkosti kovový předmět a zda se přistroj přibližuje či nikoliv. To je provedeno tak, že se určí čas příchodu signálu a určí se tak doba odezvy a také velikost signálu. Tyto hodnoty jsou porovnány, tedy čas příchodu signálu je porovnán s předešlým zaznamenaným a určí se pomocí nich přiblížení, dále je délka času porovnána s konstantou, která je určena experimentálně a udává druh kovu, tedy diskriminanci (tato funkce u tohoto druhu detektoru nefunguje bohužel příliš přesně). Hodnoty jsou zpracovány a zobrazeny na displeji, resp. velikost signálu je znázorněna baragrafem. Pro rychlejší funkci by bylo lepší, kdyby vzdálenost byla určována z velikosti signálu, ale údaje z tohoto nejsou dostatečně přesné a někdy se skokově mění.
Dále pak program obsahuje výstup zvuku, takže jsou pomocí č/č generovány impulzy pro rozeznění piezomeniče. Rychlost pulzů je dána ze zpracované hodnoty přiblížení.

Realizace detektoru vychází z návrhu Detektor kovů Clone PI. Schéma zapojení (viz obr. 4.) a DPS (viz obr. 5.) byla původně převzata, ale byly provedeny změny. Obměnou je změna konektoru pro programování, aby byl přizpůsoben pro programátor AVR ISP programátor BiProg a také v patici pro připojení baterie. V mechanické konstrukci pak je doplněna zdířka pro výstup akustického signálu na sluchátka, která při připojení sluchátek odpojí reproduktor.

Obr. 4.: Schéma zapojení

Obr. 5.: Návrh desky plošného spoje

Obvodové části detektoru byly umístěny do přístrojové krabičky, viz obr. 6. Na předním panelu je umístěn display o dvou řádcích a 16 znacích s podsvícením, dále pak čtyři tlačítka pro pohyb v menu, zapínací tlačítko a vývod na sluchátka. Vnitřní součásti jsou propojeny pomocí plochého kabelu a přivod akumulátoru a přívod cívky jsou připojeny do svorkovnic. Deska je umístěna na distančních sloupcích, aby byla pevně uchycena a spodní část se nedotýkala připevňovacích šroubů krabičky k nosné konstrukci. V krabičce je dostatek místa, a tak by do ní bylo možné umístit i zdroj energie.

Obr. 6.: Vnitřní uspořádání

Cílem projektu bylo naprogramování MCU vlastním programem. Ten však ale neumožňuje příliš velký konfort, takže je problém připojení náhodné cívky, změny hlasitosti, atd. Pokud někdo bude mít zájem detektor postavit, může využít schématu a návrhu desky, zde, a nahrát do MCU poměrně konfortní program od ruského autora, zde, který na zapojení dobře pracuje, viz obr. 7. Při využití tohoto programu slouží první tlačítko pro vstup do menu, druhé a třetí pro listování v menu a poslední pro potvrzení volby (pořadí zleva).

Obr. 7.: Přední panel

Závěr

Impulsní indukční detektory kovů jsou specializované nástroje. Jsou spíše vhodné do venkovských prostor, kde není velké množství železa nebo je naopak žádoucí a kde mohou uplatnit svou schopnost vypořádat se s hledáním ve větších hloubkách (zhruba i 50 cm), na plážích, kde je přítomnost vody a soli, a nebo ve vysoce mineralizované zemině. V takovýchto podmínkách dosahují vynikajících výsledků s porovnáním s VLF detektory. Nehodí se k hledání mincí v městkých oblastech, protože nemají schopnost identifikovat nebo odmítnout železné odpadky.

Literatura

[1] ROWAN, Mark; LAHR, William. How Metal Detectors Work [online]. 2000 [cit. 2010-05-31]. My Metal Detector Page. Dostupné z WWW: http://www.gi.alaska.edu/~jesse/treasure/misc/howdetector.html.
[2] Basic Design [online]. 2006 [cit. 2010-05-31]. Induction Metal Detector. Dostupné z WWW: http://www.tahionic.com/electronics/induction%20metal%20detector/index.html.
[3] B., Pavol. Pablo.net [online]. 2010 [cit. 2010-06-23]. Detektor kovov CLONE PI AVR. Dostupné z WWW: http://www.pablox.net/index.php?option=com_content&task=view&id=35&Itemid=35.