Detección de objetos metálicos en estructuras de edificios.
Kargashin Viktor Leonidovich Candidato de Técnico Ciencias
Kolyada Sergey Egorovich
Mitrokhin Sergey Ivanovich
Detección de objetos metálicos en estructuras de edificios
Al buscar objetos metálicos instalados en secreto en estructuras de edificios, se utilizan detectores de defectos por microondas, por ejemplo /3/, que permiten analizar la estructura interna de las estructuras e identificar inclusiones metálicas de terceros. El funcionamiento eficaz de los detectores de defectos es posible con especialistas altamente capacitados; el método de inspección tiene una productividad baja y, además, el equipo en sí tiene un costo bastante alto.
El uso de dispositivos que hacen posible detectar objetos metálicos ocultos también se utiliza ampliamente para buscar artefactos explosivos mineros instalados en el suelo. La sensibilidad de los detectores de metales modernos permite detectar objetos metálicos de distintos tamaños a profundidades de hasta varios metros /1, 2/.
Se conocen los siguientes métodos para detectar objetos metálicos en el suelo, que se utilizan prácticamente en la remoción de minas:
— magnetométrico;
— inducción;
— radar;
— sondeo mecánico;
— contacto eléctrico;
— sismoacústico;
— biofísico, etc.
Los primeros cuatro métodos han recibido la mayor importancia práctica debido a su mayor eficiencia y productividad.
Parece pertinente utilizar las conocidas ventajas de los métodos de inducción para la búsqueda de objetos metálicos para la inspección de estructuras de edificios, incluidas las reforzadas. Esta tarea es necesaria cuando se buscan componentes metálicos de dispositivos encubiertos de control de información instalados en estructuras de edificios. En estructuras de construcción que no contienen metal, por ejemplo, tipo ladrillo, se puede lograr una alta sensibilidad, permitiendo detectar objetos metálicos con dimensiones del orden de varios centímetros cuadrados a una profundidad de 20…25 cm, lo que es bastante suficiente para resolver problemas de inspección. En estructuras de edificios reforzadas, por ejemplo, detectores de metales de hormigón armado que implementan el método de inducción tradicional, se crea un alto nivel de interferencia, causada por los propios elementos metálicos de la estructura. Pero incluso en estructuras de edificios que no contienen refuerzo, pueden aparecer falsas reacciones de ruido causadas por objetos metálicos extraños, por ejemplo, cables incrustados en el espesor de las estructuras, elementos de fijación invisibles (clavos, tornillos, etc.). Combinar la alta sensibilidad de los métodos inductivos para detectar objetos metálicos con la capacidad de identificar respuestas detectadas es una tarea de búsqueda importante y su solución puede brindar oportunidades adicionales a los métodos de búsqueda y medios técnicos utilizados.
La posibilidad de una identificación adicional de las respuestas de los dispositivos de inducción en estructuras de edificios se debe a una cierta clasificación de los objetos de señal y de falsa interferencia por profundidad, espesor de la capa metálica y forma del objeto. La clasificación de las respuestas de señal e interferencia brinda al operador oportunidades adicionales para distinguir objetos incluso al examinar estructuras metálicas.
Las señales de interferencia incluyen:
— refuerzo de estructuras de construcción de hormigón armado, que pueden modelarse mediante un conjunto de estructuras lineales periódicas;
— Malla de eslabones de cadena, que también tiene una cierta estructura uniforme;
— comunicaciones integradas de alambres y cables, que pueden modelarse con estructuras metálicas extendidas;
— herrajes metálicos para aberturas de puertas y ventanas.
Estas señales de interferencia tienen una cierta regularidad (al menos en un determinado intervalo de análisis espacial) y, en principio, es posible utilizar métodos para la compensación espacial de dichas señales.
Fig. 1. Ejemplos de estructuras metálicas regulares de estructuras de construcción
Los objetos metálicos deseados suelen ser inclusiones locales de tamaño limitado (unos pocos centímetros) y forma casi regular, que pueden instalarse en cualquier lugar del entorno que contiene metal, incluso a poca distancia de la estructura metálica que interfiere. Las formas geométricas de los objetos deseados se pueden modelar mediante un conjunto bastante limitado de figuras, por ejemplo, como se muestra en la Figura 2.
Fig. 2. Ejemplos de los objetos deseados (objetos metálicos) con la forma correcta
Es obvio que en una situación real, los modelos de estructuras metálicas de señal y ruido pueden diferir de las formas espaciales ideales. Así, por ejemplo, el paso de refuerzo puede no ser claramente regular, sino aleatorio, casi periódico, las comunicaciones por cable pueden tenderse a lo largo de líneas no completamente rectas, etc. Las formas de los objetos deseados también pueden tener algunas diferencias con respecto a las figuras geométricas ideales. Sin embargo, tales diferencias no deberían reducir significativamente la eficiencia promedio esperada de detectar e identificar objetos metálicos en ambientes que contienen metal al compensar la interferencia regular y aislar señales de objetos de cierta forma, tamaño o profundidad.
Consideremos las posibilidades de los métodos inductivos de búsqueda de objetos metálicos para detectar objetos metálicos no autorizados en estructuras de edificios. Los métodos de inducción de pulsos son los más modernos y tienen un mayor contenido informativo, por lo que para resolver problemas de distinción de ruido y señales tienen importantes ventajas sobre los métodos armónicos. La esencia del método de detección es simple y consiste en crear un potente pulso de campo magnético mediante una bobina excitadora y recibir el campo magnético de corrientes parásitas secundarias mediante una bobina receptora. El diagrama de bloques de un detector de metales pulsado se muestra en la Figura 3.
Mediante un generador de señales de impulsos se genera un impulso de corriente en la bobina de excitación, lo que crea un campo de excitación magnético. Si hay un objeto metálico en la zona de excitación, se crea un campo magnético secundario que es recibido por la bobina receptora. La señal amplificada se digitaliza en el tiempo y estas muestras de tiempo se envían a una computadora que implementa un algoritmo de detección de objetos determinado. El bloque de información requerido para el operador se crea en el indicador, lo que le permite tomar la decisión necesaria.
Fig. 3. Diagrama de bloques de un detector de metales de inducción pulsada
Los métodos pulsados para detectar objetos conductores fueron desarrollados por primera vez por Veit (1951) y Jost (1952), quienes estudiaron las respuestas de los conductores a los flujos magnéticos pulsados. Wescott (1955) y Johnson (1956) desarrollaron en detalle aplicaciones prácticas del método para detectar objetos metálicos ocultos. Sin embargo, la producción real de detectores de metales pulsados comenzó con la llegada de la tecnología de semiconductores. Ya en 1962, Barringer utilizaba detectores de metales de alta potencia similares para detectar masas minerales conductoras. Couloney (1966) y Foster (1968) pudieron optimizar la recepción de señales y minimizar las respuestas de interferencia al recibir señales retardadas en el tiempo, lo cual es esencial cuando se buscan objetos metálicos en medios semiconductores (acuosos). Las primeras muestras de detectores de metales por impulsos se fabricaron en 1966, y se llevaron a cabo extensos experimentos y estudios de campo después del desarrollo de los modelos «PIMDEC». y «AQVDEC». Como resultado de la investigación, se reveló que los diagramas de tiempo de la respuesta de los objetos metálicos cuando se exponen a un campo magnético pulsado dependen significativamente de la forma del objeto y del tipo de metal. La Figura 4 muestra, como ejemplo, diagramas de tiempo de cambios en el campo secundario de varios objetos metálicos.
Como puede verse en los gráficos que se muestran en la Figura 4, las dependencias temporales de las respuestas de señal son significativamente diferentes para los objetos metálicos dependiendo de su forma y tamaño. Esto permite en principio determinar algunos parámetros del objeto basándose en el análisis de la forma de la característica temporal, es decir, realizar, en cierta medida, una identificación del objeto detectado. Este es el problema que siempre se resuelve en un grado u otro en los detectores de metales de inducción de tipo pulso.
1 – cuerpo de cobre con dimensiones 2″x3″x1/4″
2 – 3″ clavo
3 – 4″ llave inglesa
4 – centavo de 1967
5 – medio centavo de 1967
6 – 2″ clavo
7 – moneda de un centavo 1948
8 – placa de acero dimensiones 3″x4″
9 – moneda de media corona
Fig. 4. Datos experimentales sobre la dependencia temporal de las respuestas de varios
objetos metálicos bajo la influencia de un campo magnético pulsado
El análisis matemático riguroso de campos magnéticos secundarios para objetos de forma arbitraria es un problema complejo, cuya solución exacta sólo es posible para objetos de forma simple regular. Entonces, si una bobina en forma de espira de pequeña sección transversal, ubicada sobre una lámina de metal infinita, es excitada por un pulso de corriente, entonces la característica temporal del potencial vectorial del campo magnético de corrientes parásitas 
Un problema técnico es la medición práctica de la magnitud del campo magnético de las corrientes parásitas inmediatamente después de un salto de corriente, ya que en cualquier bobina de excitación real, durante algún tiempo, se produce un proceso no estacionario de cambio de corriente y campo de excitación, contra en cuyo fondo es imposible medir el flujo magnético relativamente pequeño de las corrientes parásitas. Es por esta razón que las dependencias temporales que se muestran en la Figura 4 comienzan en un tiempo de 50 μs, es decir, con un retraso de tiempo.
En el detector de metales «SMD -300», desarrollado «Centro multidisciplinario comercial y de ingeniería — 1», se aprovechan al máximo las ventajas del método de inducción de pulsos en relación con las tareas de examen de estructuras de edificios. La apariencia del detector de metales se muestra en la Figura 5.
Fig. 5. Aspecto del detector de metales «SMD-300»
Funcionamiento del detector de metales «SMD-300» se basa en el siguiente principio. Se crea un potente pulso de campo magnético mediante una bobina de excitación. La bobina magnética receptora recibe un campo magnético secundario, cuya medición se realiza con un retardo de tiempo mínimo, que en el dispositivo es de 10 μs desde el frente del pulso de excitación. La señal secundaria recibida se digitaliza y se analiza su forma, y se calcula la amplitud inicial teniendo en cuenta el retardo de tiempo introducido. El dispositivo informático, teniendo en cuenta los parámetros conocidos de la bobina de excitación, el valor de la corriente en ella y los parámetros de la bobina receptora, basándose en expresiones matemáticas conocidas, determina la distancia al objeto metálico.
Se puede demostrar que para objetos metálicos con un pequeño espesor de capa conductora, la duración de los procesos de descomposición del flujo magnético de las corrientes parásitas es proporcional al valor 
, donde 
— conductividad del metal, 
— espesor de la capa metálica. Esto significa que, como resultado del análisis de la forma temporal del flujo magnético, es posible estimar el espesor de una lámina de metal con una conductividad metálica conocida. Con un valor de conductividad desconocido, es posible estimar aproximadamente el espesor de la capa de metal según el tipo de metal esperado que se busca.
Determinar otras características de los objetos metálicos (tamaño, forma, profundidad de ubicación) es un problema matemático complejo que requiere resolver un problema electrodinámico con condiciones de contorno complejas. Incluso para objetos de dimensiones finitas de forma convencionalmente simple y regular (paralelepípedo, esfera, cilindro, etc.), la solución exacta del problema es problemática utilizando tecnología de microprocesadores, que permite implementar equipos en dimensiones aceptables. Por tanto, en el equipo «SMD-300» Se utilizó un algoritmo simplificado, pero que proporciona resultados suficientes para la práctica, para estimar los parámetros geométricos de objetos metálicos. Para obtener las relaciones básicas que conectan el campo de excitación, los parámetros del detector de metales, los parámetros geométricos del objeto metálico y el campo de corrientes parásitas, el equipo utiliza dos bobinas de excitación y una bobina receptora. La figura 6 muestra un diagrama simplificado de la ubicación de todos los componentes de la interacción de campos magnéticos en forma de espiras coaxiales.
Fig. 6. Disposición de las bobinas
equipo «SMD-300»
Para el objeto metálico deseado, el radio de un cierta bobina puede considerarse como un indicador promedio de sus dimensiones geométricas. Para tal modelo geométrico de representación de las bobinas del detector de metales y el objeto deseado, el voltaje en la bobina receptora se puede representar de la siguiente forma:
,
donde 
— valor actual en la bobina de excitación, 
— número de vueltas en las bobinas excitadora y receptora, respectivamente, 
— funciones de inducción mutua de la bobina de excitación y la bobina receptora con el objeto metálico deseado, respectivamente, 
— una función normalizada que muestra la dependencia del tiempo del flujo magnético de las corrientes parásitas.
Las funciones de inducción mutua de los giros coaxiales están determinadas por la expresión:
,
donde 
— radios de vueltas coaxiales, 
, 
, 
&# 8212; integrales elípticas de la forma:
.
Proporcionado 
Las integrales elípticas se pueden aproximar mediante la siguiente serie:
,
.
Usando las aproximaciones dadas y suponiendo esa condición 
, puede obtener expresiones para calcular el tamaño de la bobina y la distancia desde las bobinas del detector de metales al objeto deseado:
,
.
De este modo, es posible vincular analíticamente los parámetros geométricos del detector de metales y calcular algunos parámetros del objeto deseado que son de interés para el operador y permiten no sólo detectar objetos, sino también identificarlos.
En equipos SMD 300» Se ha implementado el siguiente algoritmo para calcular los parámetros de objetos metálicos:
— se miden los voltajes
y
en la bobina receptora con excitación alterna de las bobinas transmisoras con radios
y
respectivamente con un retardo de tiempo de 10 μs;
— las señales se digitalizan y la forma temporal de las dependenciasy
;
— los valores dey
;
— las funciones se calculan 7.gif» />;
— utilizando las aproximaciones anteriores se calculany
;
— se calculan los parámetros del objeto metálico detectadoy
;
— basado en un análisis de la dependencia temporal de la señal y el valorse evalúa el grosor del objeto metálico y su forma.
Visualización de información para el operador en el monitor «SMD-300» se lleva a cabo en una pantalla de cristal líquido, en la que se muestra en forma tabular y gráfica, como se muestra en la Figura 7.
Fig. 7. Presentación de información en la pantalla del «SMD-300»
Las Figuras 8 y 9 muestran los resultados de estudios experimentales sobre la detección de diversos objetos metálicos mediante el «SMD-dispositivo 300».
1 – vuelta de alambre de diámetro 11,7 cm
2 – lámina de cobre 10×10 cm
3 – batería «Krona» 4,5×2,5 cm
Moneda de 4 – 50 kopeks
Fig. 8. Dependencias de los tamaños medidos de los objetos de la distancia de su ubicación
– batería «Krona»
– una vuelta de alambre con un diámetro de 11,7 cm
— lámina de cobre
Fig. 9. Dependencia de las distancias medidas del valor real del rango de ubicación
La Tabla 1 muestra los resultados exactos de los estudios experimentales. para varios objetos metálicos.
Tabla 1
Artículos metálicos
Rango verdadero, cm
Constante de tiempo, μs
Rango medido , cm
Tamaño medido, cm
5
29,9
5.56
11.8
10
30.2
10.2
11,5
5
13,75
6.15
4,82
10
13,6
10.6
4.67
5
6,46
5,00
10.23
10
7,32
9,25
11,03
5
15
5.53
2.3
Los errores en las medidas de tamaño y rango no superan el 15%, lo cual, para la mayoría de las aplicaciones prácticas, parece suficiente para resolver problemas de detección de carcasas metálicas de unidades de dispositivos de control de información encubiertos instalados en estructuras de edificios.
Además, el dispositivo «SMD-300» tiene una salida a una PC, lo que le permite aplicar en la práctica métodos para compensar la interferencia con una estructura regular y métodos para detectar objetos metálicos con dimensiones geométricas limitadas conocidas.
Un detector de metales estas nuevas capacidades para que el consumidor analice los elementos deseados sin duda se utilizarán ampliamente al realizar trabajos de inspección de estructuras de edificios con el fin de buscar carcasas metálicas y partes de medios de control de información encubierta.
1. Shcherbakov G.N. Medios para detectar escondites de armas y municiones en el suelo. Equipo especial, No. 2, 2000.
2. Arbuzov S. O. Dispositivos de búsqueda sensibles al magnetismo. Equipo especial, nº 6, 2000.
3. Radar para sondeo de estructuras de edificios RASKAN-3. Laboratorio de Teledetección.
4. Instrumentos para ensayos no destructivos de materiales y productos. Ed. V.V. Klyueva, 1976.