Dispositivos de búsqueda sensibles al magnetismo.

Dispositivos de búsqueda sensibles al magnetismo..

DISPOSITIVOS DE BÚSQUEDA MAGNÉTICOS SENSIBLES.

Para buscar metales en ambientes protegidos (bajo tierra, agua, nieve, etc.) se utilizan varios tipos de detectores de metales, que se diferencian entre sí principalmente en el principio de funcionamiento: el elemento sensible. Los detectores de metales se pueden dividir en dos grupos principales: el primer grupo son detectores de metales de inducción (corrientes de Foucault), el segundo grupo son detectores de metales magnéticamente sensibles. Los detectores de metales por inducción le permiten detectar cualquier objeto conductor oculto en un entorno no conductor o débilmente conductor. Los detectores de metales por inducción funcionan según el siguiente principio: una bobina de inductancia excitante a través de la cual fluye una corriente pulsada o periódica induce corrientes parásitas en el objeto conductor deseado, y un sistema de bobinas de señal recibe una señal de las corrientes inducidas en el objeto. Según el principio descrito, los detectores de metales por inducción pueden considerarse dispositivos activos, es decir, tienen un efecto sobre el objeto buscado.

En este artículo nos centraremos en los dispositivos magnéticamente sensibles, cuya principal diferencia con los detectores de metales por inducción es que estos dispositivos sólo pueden encontrar objetos ferromagnéticos. Los objetos ferromagnéticos tienen su propio campo magnético o distorsionan el campo uniforme de la Tierra y, en ambos casos, la magnitud del campo magnético en el área del elemento sensible cambia su magnitud y dirección. Esta es una señal de un objeto ferromagnético. En relación al objeto deseado, estos dispositivos son pasivos, es decir, no tienen ningún efecto sobre el objeto.

El parámetro más importante de un detector de metales es su sensibilidad, es decir. rango máximo de detección del objeto deseado. Al mismo tiempo, es casi imposible formalizar este parámetro, hacerlo uniforme para todos los detectores de metales, y no solo porque los detectores de metales difieren en el principio de funcionamiento, sino también en el diseño de los convertidores y la función de procesamiento de señales. , así como la variedad de formas de los objetos que se buscan y las propiedades de los metales. Para los detectores de metales por inducción, se suelen utilizar como estándares de sensibilidad placas redondas o cuadradas hechas de varios metales y de varios tamaños. Con estas placas, puede comparar las distancias a las que diferentes detectores de metales por inducción detectan estas placas. Este método para determinar la sensibilidad de los detectores de metales magnéticamente sensibles es inaceptable porque la profundidad máxima de detección de un objeto ferromagnético dependerá no solo del tamaño de este objeto, sino también de su orientación en el espacio y en relación con el elemento sensible. así como sobre el grado de magnetización del objeto. Al describir las características de los dispositivos de búsqueda para especificar la sensibilidad, se acostumbra indicar la profundidad de un objeto, cuya forma, tamaño y material son conocidos por un número suficiente de personas.

Para los detectores de metales magnéticamente sensibles, la sensibilidad suele denotarse por la magnitud de la inducción magnética del campo que el dispositivo es capaz de registrar. Normalmente, la sensibilidad se mide en nanotesla (nT) 1nT=(1E-9)T.

Además de la sensibilidad, para determinar la calidad del dispositivo se utiliza un parámetro como la resolución, que también se mide en nanoteslas y determina la diferencia mínima de inducción que puede registrar el dispositivo.

En Para imaginar la magnitud de la inducción del campo magnético que registran los magnetómetros modernos, basta con calcular la magnitud del campo magnético creado por un conductor con una corriente de 1 mA a una distancia de 0,1 m.

El campo de la Tierra es de aproximadamente 35000 nT. Este es un valor promedio; en diferentes partes del mundo varía entre 35000 y 60000 nT. Así, la tarea de buscar objetos ferromagnéticos es detectar, en el contexto del campo natural de la Tierra, un aumento del campo provocado por las distorsiones de los objetos ferromagnéticos.

Existen varios principios físicos y tipos de instrumentos magnetométricos basados ​​en ellos que permiten registrar cambios mínimos en el campo magnético terrestre o distorsiones introducidas por objetos ferromagnéticos. Los magnetómetros modernos tienen una sensibilidad de 0,01 nT a 1 nT, dependiendo del principio de funcionamiento y la clase de problemas que se resuelven.

Consideremos los principios físicos más comunes para construir magnetómetros.

El primer método, que se ha generalizado más, es el método basado en las propiedades no lineales de los materiales ferromagnéticos. Los elementos sensibles que implementan este principio se denominan fluxgates. El fluxgate es un inductor con un núcleo no lineal. Muy a menudo, se utiliza alambre de aleación permanente como núcleo. Las figuras 1 y 2 muestran un dibujo y un gráfico que explican el principio de funcionamiento del fluxgate.

Figura 1

Fig. 2

Si se pasa una corriente alterna a través de la bobina de excitación, se creará un campo alterno con una amplitud de voltaje Hm y aplicamos un campo coaxial constante de intensidad Ho al fluxgate, luego aparecerá un voltaje proporcional al campo magnético constante Ho y con el doble de frecuencia en la salida de la bobina receptora fluxgate. La aparición de un voltaje de doble frecuencia se debe a la característica no lineal del núcleo fluxgate. Este voltaje es la señal mediante la cual se juzga el campo magnético externo.

El fluxgate es un dispositivo vectorial, es decir. la señal de salida de este elemento sensible depende no sólo de la magnitud del campo magnético externo, sino también de su dirección con respecto al eje del fluxgate.

Esta propiedad del fluxgate permite su uso como dispositivo de orientación espacial con respecto a las líneas de campo de la Tierra, sin embargo, para la construcción de un magnetómetro de búsqueda, esta propiedad es más bien una desventaja, ya que durante la búsqueda se produce un cambio en la orientación. del transductor del dispositivo de búsqueda es inevitable. Como se mencionó anteriormente, la búsqueda de objetos ferromagnéticos se produce en el contexto del campo natural de la Tierra, que excede en cinco órdenes de magnitud los incrementos de campo introducidos por los objetos de búsqueda, por lo que para resolver el problema de eliminar la influencia de la orientación, no deben adoptarse técnicas de diseño y circuitos electrónicos triviales.

En la figura 3 se muestra el diseño esquemático del convertidor de un dispositivo de búsqueda fluxgate, en el que se compensa en gran medida la influencia de la orientación relativa a las líneas de campo de la Tierra.

Fig. 3

El convertidor consta de dos compuertas de flujo conectadas diferencialmente ubicadas en el mismo eje y a una cierta distancia (base) entre sí. Cada fluxgate en dicho convertidor se llama media sonda.

Los tornillos de ajuste 1 y 2 garantizan un desplazamiento perpendicular entre sí de las semisondas con respecto a los puntos de articulación y permiten así conseguir un alto grado de alineación de las semisonda. La figura 4 muestra el circuito eléctrico de un convertidor fluxgate diferencial.

Fig. 4.

Igen. – corriente de excitación del fluxgate;
Usign. – tensión en la salida de los devanados de medida.

Usigno.es una señal de armónico complejo en la que la información sobre la magnitud del campo magnético externo se transmite mediante la diferencia en las amplitudes del segundo armónico de cada media sonda. Dado que las semisondas son idénticas, la señal de salida no depende del campo uniforme de la Tierra, sino que está determinada únicamente por el gradiente del campo externo. Un convertidor fluxgate fabricado según un circuito diferencial (ver Fig. 3, 4) se llama gradiómetro o gradiómetro. El procedimiento de ajuste del transductor permite, en un grado suficiente para la práctica, eliminar la influencia sobre la señal de salida de la orientación espacial del transductor con respecto a las líneas de fuerza del campo magnético terrestre. Además, el transductor está colocado estructuralmente sobre un eje de rotación de modo que por su propio peso siempre ocupa una posición vertical con respecto a la superficie terrestre, lo cual es aconsejable por dos razones: en primer lugar, las líneas del campo magnético natural se dirigen en un ángulo de 400 con respecto a la superficie terrestre y el gradiente de campo de los objetos ferromagnéticos introducidos, la distorsión será máxima cuando la dirección del campo natural se acerque al eje del transductor; en segundo lugar, dicha ubicación natural del transductor reduce los errores de las vibraciones espaciales del transductor; que son inevitables durante la búsqueda.

El diseño de un detector de metales ferrosonda incluye una varilla con una fuente de alimentación de batería y una unidad electrónica colocadas sobre ella, y un convertidor fluxgate que gira sobre un eje perpendicular a la varilla y al convertidor.

La Figura 5 muestra cómo las líneas del campo magnético de la Tierra son distorsionadas por un objeto ferromagnético, que es registrado por un dispositivo fluxgate.

Fig.5

Como se mencionó anteriormente, el convertidor fluxgate es un dispositivo vectorial, es decir la señal de salida del transductor depende de la magnitud y dirección del campo aplicado. Esto le permite obtener información adicional sobre la orientación y las dimensiones del objeto ferromagnético oculto. En la figura. La Figura 6 muestra la envolvente de la señal de salida del convertidor desde un objeto extendido (tubería) bajo tierra.

Fig. 6

Utilizando un gradiómetro fluxgate, es posible estimar la profundidad de los objetos, para lo cual es necesario dibujar la envolvente de la señal del objeto en coordenadas: U– nivel de señal, distancia L. El ancho de esta envolvente a un nivel de 0,5 del máximo es aproximadamente igual a la profundidad del objeto. La Figura 7 muestra la envolvente de la señal con el convertidor mientras se mueve sobre un objeto subterráneo oculto a una distancia de H.

Fig. 7

Los dispositivos en serie más famosos de nuestro país son los detectores de metales Fluxgate del Instituto Dr. Foerster (Alemania). Se trata de los modelos OGF, Ferex4.021 y Ferex 4.032.

A continuación se detallan las características técnicas y una breve descripción de los detectores de metales Ferex4.021 y Ferex 4.032

Los detectores de metales Ferex4.021 El detector está diseñado para buscar objetos ferromagnéticos bajo tierra y bajo el agua. Los objetos de búsqueda más comunes incluyen bombas sin explotar, tuberías principales, cables eléctricos, restos de barcos y aviones estrellados.

El dispositivo se puede utilizar para diversas aplicaciones dependiendo del modo de funcionamiento configurado:

• Búsqueda y localización de todos los objetos ferromagnéticos.
• Búsqueda y localización de objetos grandes con supresión del influencia de objetos pequeños.
• Búsqueda de objetos en movimiento: se suprime la influencia de objetos estáticos.
• Úselo como brújula.

Ferex4. 021 consta de los siguientes componentes básicos:

• unidad electrónica sellada;
• compartimiento sellado de la batería;
• convertidor sellado.

Dependiendo de la aplicación práctica, existen tres versiones del dispositivo, que se diferencian entre sí en algunos cambios en los componentes básicos y accesorios adicionales.

El detector de metales Ferex4.021 puede detectar grandes objetos ferromagnéticos a profundidades de hasta 6 m, sin embargo, se pueden detectar objetos más grandes a profundidades mucho mayores.

La Tabla 1 muestra los datos de prueba para el detector de metales Fluxgate Ferex 4.021

Tabla 1

El detector de metales Ferex4.032 se basa en las mejores características del modelo anterior Ferex4.021 y se diferencia de él:

• peso más ligero;
• mayor sensibilidad debido a una base más grande entre las medias sondas;
• bajo consumo de energía;
• registrador de datos incorporado;
• capacidad de trabajar con varios convertidores en paralelo;
• protección total contra el agua;
• período de garantía de dos años.

• ocho rangos de sensibilidad de 3 nT a 10000 nT con una resolución de 0,3 nT;
• base 650 mm;
• alimentación – 4 baterías tipo C;
• protección contra el agua – IP57, 95% rel. humedad;
• rango de temperatura de funcionamiento de -25 a +55 0С;
• peso 4,5 kg;
• dimensiones 900×500 mm.

Foto 1. Detector de metales Ferromex 120 fluxgate de Unimex Handels Gmbh ( Alemania )

Uno de los desarrollos rusos es el detector de metales Fluxgate FT-100 (foto 2). El dispositivo fue desarrollado por AKA-CONTROL, Moscú. Esta es una versión simplificada del dispositivo de búsqueda, en el que la unidad electrónica y el transductor forman una única estructura rígida, no hay un ajuste preciso de las medias sondas y el nivel de la señal se juzga mediante una señal sonora de frecuencia alterna. Con este dispositivo, el grupo de búsqueda “Crew” descubrió un tanque de la época de la Guerra Patria en el lago a una profundidad de 6 m.

Foto 2. Detector de metales Fluxgate FT-100

Además de los detectores de metales fluxgate, los más utilizados son los dispositivos cuánticos basados ​​en el efecto de resonancia magnética nuclear y el efecto Zeeman con bombeo óptico. Implementan principios físicos más fundamentales y son más sensibles.

En el concepto clásico, las micropartículas libres, que poseen momentos tanto magnéticos como mecánicos, precesan en un campo magnético constante. La frecuencia de precesión (frecuencia de Larmor) es proporcional a la inducción del campo magnético B. Existen magnetómetros cuánticos con precesión nuclear libre y forzada. En un magnetómetro con precesión nuclear libre, se coloca una ampolla con una sustancia de trabajo (agua u otro líquido que contenga protones) en una bobina receptora, que está incluida en un circuito oscilatorio de frecuencia sintonizable. Un campo magnético auxiliar constante, más fuerte que el medido, polariza la sustancia de trabajo en la dirección perpendicular al campo de trabajo.

Después de apagar rápidamente el campo magnético auxiliar, los momentos de los núcleos atómicos preceden libremente con respecto a la dirección del campo medido B con una amplitud que disminuye exponencialmente durante un período de 2 a 3 s. En este caso, en la bobina receptora se induce una FEM con una frecuencia de precesión (Larmore), que se mide con un frecuencímetro. La sensibilidad de los detectores de metales de protones con libre precesión en campos uniformes débiles del orden del campo magnético terrestre alcanza 1 nT.

En los detectores de metales con bombeo óptico de la sustancia de trabajo, la frecuencia del generador de alta frecuencia se fija cuando coincide con la frecuencia de las transiciones cuánticas inversas entre los subniveles de división magnética fina e hiperfina. El momento de coincidencia se observa por la absorción resonante de la energía luminosa, acompañada de la dispersión o refracción de la luz durante su interacción con los átomos de la sustancia de trabajo. La sensibilidad de estos detectores de metales alcanza 1E-13 T.

También existe una clase de magnetómetros superconductores (detectores de metales) basados ​​en el efecto Josephson. Como transductor de medida en estos magnetómetros se utilizan interferómetros cuánticos superconductores (SQUID) de corriente continua o alterna.

En los magnetómetros con un SQUID de corriente continua, el incremento del flujo magnético externo se convierte en una tensión oscilante. en los contactos del elemento sensible: durante la medición, el número total de oscilaciones de voltaje durante la superposición de flujo.

En los magnetómetros AC SQUID, la función oscilante del flujo magnético es la inductancia total del anillo superconductor y, por tanto, el voltaje en el circuito oscilatorio de alta frecuencia asociado. Se ha logrado un nivel récord de sensibilidad de 10E-15 T a frecuencias de 0-1 Hz en magnetómetros superconductores.

La desventaja de los magnetómetros SQUID es la necesidad de mantener condiciones de superconductividad en el volumen del elemento sensible utilizando helio o nitrógeno líquido. Esto complica el diseño del dispositivo y hace que su uso en condiciones de campo sea incómodo.

Una desventaja común de los magnetómetros cuánticos y superconductores es su bajo rendimiento en comparación con los magnetómetros fluxgate, lo que puede provocar la pérdida de objetos durante la búsqueda rápida. escaneo.

A continuación se muestran breves descripciones y características técnicas de los magnetómetros cuánticos y superconductores.

El nuevo magnetómetro SMARTMAG de alta sensibilidad con convertidor de vapor de cesio con bombeo óptico tiene alta resolución, estabilidad a largo plazo y rendimiento relativamente alto. SMARTMAG es un dispositivo compacto y liviano, cuyo transductor está fijado en una varilla y una pantalla gráfica con una resolución de 64×240 píxeles muestra una variedad de información gráfica sobre modos y resultados de búsqueda. Junto con el magnetómetro SMARTMAG, se suministra un sistema de software especialmente desarrollado que permite el procesamiento de perfiles magnéticos, mapeo y análisis selectivo de anomalías. El software proporciona comodidad y facilidad de transferencia y procesamiento de datos en cualquier computadora compatible con IBM.

• rango de medición 20000-100000 nT;
• sensibilidad 0,01 nT a una frecuencia de medición estándar de 2 mediciones/seg;
• velocidad de respuesta 4; 2; 1; 0,5 mediciones por segundo;
• fuente de alimentación – 2 baterías de 12 V;
• tiempo de funcionamiento continuo – 8 horas;
• rango de temperatura de funcionamiento de -20 a +50 0 C;
• peso con baterías 10 kg.

La empresa Aerogeotech distribuye el magnetómetro SMARTMAG en Rusia.

GSM-19 es un moderno magnetómetro de protones (GEM System, Canadá), que tiene la capacidad de configurar unidades y convertidores para resolver diversos problemas.

GSM-19 se puede utilizar como magnetómetro peatonal, con el que es posible realizar una recopilación de datos casi continua a lo largo de la ruta del estudio. Los datos se registran en intervalos de tiempo discretos a medida que el dispositivo avanza a lo largo de la ruta. En cada piquete de reconocimiento, el operador presiona el botón para vincular los datos recibidos a las coordenadas de referencia.

Para acelerar la adquisición de una topología bidimensional de anomalías magnéticas, es posible vincular el magnetómetro a las coordenadas de referencia. Coordenadas determinadas mediante un sistema GPS diferencial en tiempo real y la opción de navegación. La precisión para determinar las coordenadas es de 1 metro.

GSM-19 se puede utilizar para estudios en aguas poco profundas y profundas. En el primer caso, el convertidor del magnetómetro se coloca en una góndola sellada y se baja bajo el agua mediante un cable de hasta 100 m de largo; en el segundo caso, todo el dispositivo con el convertidor se baja bajo el agua en una góndola sellada diseñada para sumergirse; a 300 m, y el dispositivo se controla y los datos se recopilan a través de RS -232.

La sensibilidad GSM-19 alcanza 0,02 nT, rango 20000 – 100000 nT.

La capacidad de memoria del dispositivo, dependiendo de la configuración, oscila entre 6.000 y 700.000 mediciones.

El magnetómetro-gradiómetro de cesio portátil G-858 proporciona una alta velocidad de búsqueda con una alta sensibilidad. El dispositivo detecta fácilmente un cañón a una profundidad de 6 metros. Gracias a la alta velocidad, es posible buscar en pasos rápidos, cubriendo 10 veces más área que usando magnetómetros cuánticos anteriores, y usando un gradiómetro horizontal es posible cubrir el área de búsqueda con un ahorro de tiempo del 50%.

• sustancia de trabajo – Cesio 133 no radiactivo;
• rango de registro 17000 — 20000 nT ;

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• sensibilidad: 0,05 nT a una velocidad de ciclo de 0,1 s;
• error de orientación ± 1 nT;
• derivación de temperatura 0,05 nT por 10 C;
• memoria para 8 horas de búsqueda a la máxima frecuencia de muestreo.

El magnetómetro cuántico portátil MM-60M1 (Rusia) tiene alta sensibilidad, velocidad y estabilidad de funcionamiento en campos no homogéneos con un gradiente de hasta 2000 nT/m.

El diseño de tres cámaras del cesio es magnéticamente sensible El bloque, en comparación con los dispositivos de una sola cámara, le permite ampliar la zona de la esquina de trabajo y al mismo tiempo reducir los errores de orientación entre 1,5 y 2 veces.

• Rango de medición 20000 – 100000nT;
• Resolución 0,01 nT;
• Tiempo de uno medición 0,1 s;
• Capacidad de memoria 7500 mediciones;
• Rango de temperatura de funcionamiento de -10 a +500 C
• Consumo de energía 10 W;
• Dimensiones:

• Unidad sensible al magnetismo: 132×157*1000 mm;
• consola: 100x200x230 mm;
• Fuente de alimentación 125x220x174 mm

• Peso:

• bloque sensible magnético 2 kg;
• consola 3 kg;
• fuente de alimentación 4kg.

Magnetómetro cuántico de potasio MKK-01 (Rusia, GOI)

El magnetómetro es un radioespectrómetro que sintoniza automáticamente la frecuencia de una transición específica en el espectro de resonancia paramagnética electrónica (EPR) del vapor de potasio polarizado en el estado fundamental mediante bombeo óptico. El magnetómetro pertenece a la clase de dispositivos autogeneradores y es un generador cuántico de una señal armónica, cuya frecuencia está relacionada con una dependencia conocida del módulo de inducción del campo. En una primera aproximación (con una precisión superior al 1%) se trata de una relación lineal con un coeficiente de proporcionalidad de 7 Hz/nT.

• rango de medición 10000 – 80000 nT;
• error sistemático, incluido el error de orientación inferior a 0,1 nT; >rango de temperatura de funcionamiento de +15 a +350 C;
• voltaje de alimentación 24 V;
• consumo de energía 30 W.

El magnetómetro SQUID fue desarrollado en la Universidad Técnica Estatal de Novosibirsk. Tiene la sensibilidad más alta entre los magnetómetros descritos anteriormente: 2E-13 Tesla. En este caso, la condición de superconductividad del elemento sensible está garantizada por el nitrógeno líquido, que desde el punto de vista de los costes operativos es mucho más rentable que enfriar con helio líquido. Sin embargo, un magnetómetro de este tipo resulta inconveniente para las condiciones de campo debido a la necesidad de disponer de un suministro de nitrógeno líquido, que inevitablemente se evapora del volumen de trabajo del convertidor.

Las características anteriores de los magnetómetros cuánticos y fluxgate indican una mayor sensibilidad de los dispositivos cuánticos. La sensibilidad es el parámetro determinante a la hora de elegir el equipo de búsqueda. Esto es especialmente importante cuando hay que inspeccionar vastas áreas del fondo marino a grandes profundidades. Sin embargo, a menudo la tarea de búsqueda tiene condiciones límite para la profundidad de búsqueda o es posible acercar el transductor al nivel de probable aparición del objeto, por ejemplo, cuando se busca desde la superficie del agua con un cable de extensión. En este caso, el factor determinante es el bajo precio, la sencillez y la fiabilidad de la herramienta de búsqueda. Los dispositivos Fluxgate tienen precisamente estas indudables ventajas. Además, el material de trabajo de los dispositivos cuánticos tiene una vida útil corta y, a menudo, no es seguro para el medio ambiente, lo que aumenta el coste de funcionamiento. Todo esto explica el uso de dispositivos de búsqueda fluxgate en las fuerzas armadas de varios países y la aparición de nuevas modificaciones de dispositivos con convertidores fluxgate.