Обнаружение металлических объектов в строительных конструкциях.

Обнаружение металлических объектов в строительных конструкциях.

Каргашин Виктор Леонидович кандидат технических наук
Коляда Сергей Егорович
Митрохин Сергей Иванович

Обнаружение металлических объектов в строительных конструкциях

При поиске негласно установленных металлических предметов в строительных конструкциях применяются СВЧ дефектоскопы, например /3/, которые позволяют анализировать внутреннюю структуру конструкций и выявлять сторонние металлические включения. Эффективная работа дефектоскопов возможна при высокой подготовке специалистов, метод обследования реализует невысокую производительность и, кроме того, само оборудование имеет достаточно высокую стоимость.

Применение приборов, позволяющих обнаруживать скрытные металлические объекты, широко применяется также для поиска минно-взрывных устройств, установленных в грунте. Чувствительности современных металлодетекторов позволяют обнаруживать металлические объекты различных размеров на глубинах залегания до единиц метров /1, 2/.

Известны следующие методы обнаружения металлических объектов в толще грунта, которые практически используются при разминировании:

— магнитометрический;
— индукционный;
— радиолокационный;
— механического зондирования;
— электрический контактный;
— сейсмоакустический;
— биофизический и др.

Первые четыре метода получили наибольшее практическое значение по причине большей эффективности и производительности.

Представляется актуальным использовать известные достоинства индукционных методов поиска металлических предметов для обследования строительных, в том числе и армированных конструкций. Такая задача необходима при поиске металлических составных частей средств негласного контроля информации, установленных в строительных конструкциях. В строительных конструкциях, которые не содержат металл, например, кирпичного типа может быть достигнута высокая чувствительность, позволяющая выявлять металлические предметы, размерами порядка несколько квадратных сантиметров на глубине до 20…25 см, что вполне достаточно для решения задач обследования. В строительных конструкциях армированного типа, например, железобетонных металлоискателям, реализующим традиционный индукционный метод, создается высокий уровень помех, которые вызываются собственными металлическими элементами конструкций. Но и в строительных конструкциях, не содержащих армирования, могут быть ложные помеховые отклики, вызванные посторонними металлическими объектами, например, проводами, заложенными в толще конструкций, невидимыми элементами крепления (гвозди, шурупы и т. п.). Совмещение высокой чувствительности индукционных методов обнаружения металлических предметов с возможностью идентификации обнаруженных откликов является важной поисковой задачей и ее решение может дать дополнительные возможности к используемым поисковым методам и техническим средствам.

Возможности дополнительной идентификации откликов от индукционных приборов в строительных конструкциях обусловлены определенной классифицируемостью как сигнальных, так и ложных помеховых объектов по глубине залегания, по толщине металлического слоя, по форме предмета. Классификация сигнальных и помеховых откликов дает оператору дополнительные возможности по различению объектов даже при обследовании металлосодержащих конструкций.

К помеховым сигналам относятся:

— арматура железобетонных строительных конструкций, которая может быть смоделирована совокупностью периодических линейных структур;
— сетка Рабица, также имеющая определенную равномерную структуру;
— заложенные проводные и кабельные коммуникации, которые можно моделировать протяженными металлическими структурами;
— металлическая арматура оконных и дверных проемов.

Указанные помеховые сигналы обладают определенной регулярностью (во всяком случае, на некотором пространственном интервале анализа), и принципиально возможно применение методов пространственной компенсации таких сигналов.

Рис. 1. Примеры регулярных металлических структур строительных конструкций

Искомые металлические объекты, как правило, представляют собой локальные включения ограниченных размеров (единицы сантиметров) и практически правильной формы, которые могут быть установлены в любом месте металлосодержащей среды, в том числе и на малом расстоянии от помеховой металлической структуры. Геометрические формы искомых предметов могут моделироваться достаточно ограниченным набором фигур, например, как показано на рисунке 2.

Рис. 2. Примеры искомых объектов (металлических предметов) правильной формы

Очевидно, что в реальной ситуации модели сигнальных и помеховых металлических структур могут отличаться от идеальных пространственных форм. Так, например, шаг армирования может быть не четко регулярным, а случайным квазипериодическим, проводные коммуникации могут прокладываться по не совсем прямым линиям и т. п. Формы искомых предметов также могут иметь некоторые отличия от идеальных геометрических фигур. Однако, такие отличия не должны существенно снижать ожидаемую в среднем эффективность обнаружения и идентификации металлических предметов в металлосодержащих средах за счет компенсации регулярных помех и выделения сигналов от предметов определенной формы, размеров или глубины залегания.

Рассмотрим возможности индукционных методов поиска металлических объектов для обнаружения несанкционированных металлических предметов в строительных конструкциях. Импульсные индукционные методы наиболее современны и обладают большей информативностью, поэтому для решения задач различения помех и сигналов они по сравнению с гармоническими имеют существенные преимущества. Сущность метода обнаружения проста и заключается в создании мощного импульса магнитного поля с помощью возбуждающей катушки и приеме магнитного поля вторичных вихревых токов с помощью приемной катушки. Блок-схема импульсного металлодетектора приведена на рисунке 3.

С помощью генератора импульсных сигналов в катушке возбуждения формируется импульс тока, который создает магнитное поле возбуждения. При наличии в зоне возбуждения металлического объекта он создает вторичное магнитное поле, которое принимается приемной катушкой. Усиленный сигнал оцифровывается во времени и эти временные отсчеты подаются на вычислитель, реализующий заданный алгоритм обнаружения объекта. На индикаторе создается требуемый для оператора информационный блок, позволяющий оператору принимать необходимое решение.

Рис. 3. Блок-схема импульсного индукционного металлодетектора

Впервые импульсные методы обнаружения проводящих объектов были разработаны Вейтом (1951 г.) и Джостом (1952 г.), которые изучили отклики реакции проводников на воздействие импульсных магнитных потоков. Практическое применение метода для обнаружения скрытых металлических предметов были детально разработаны Вескоттом (1955 г.) и Джонсоном (1956 г.). Однако, реальное изготовление импульсных металлодетекторов началось с появлением полупроводниковой техники. Уже в 1962 г. Баррингер использовал подобные мощные металлодетекторы для обнаружения проводящих рудных масс. Коулони (1966 г.) и Фостер (1968 г.) смогли оптимизировать прием сигналов и минимизировать помеховые реакции благодаря приему сигналов с задержкой во времени, что крайне необходимо при поиске металлических объектов в полупроводящей среде (водной). В 1966 г. были изготовлены первые образцы импульсных металлоискателей, а объемные полевые эксперименты и исследования были проведены после разработки в 1971 г. моделей «PIMDEC» и «AQVDEC». В результате проведенных исследований было выявлено, что временные диаграммы ответной реакции металлических объектов при воздействии импульсного магнитного поля существенно зависят от формы объекта и типа металла. На рисунке 4 в качестве примера приведены временные диаграммы изменения вторичного поля от различных металлических предметов.

Как видно из графиков, приведенных на рисунке 4, временные зависимости сигналов-откликов существенно различны для металлических предметов в зависимости от их формы и размеров. Это дает принципиальную возможность на основе анализа формы временной характеристики определять некоторые параметры объекта, то есть осуществлять в определенной степени идентификацию обнаруженного объекта. Именно эта задача всегда решается в той или иной степени в индукционных металлодетекторах импульсного типа.

1 –медный корпус размерами 2″х3″х1/4″
2 – 3″ гвоздь
3 – 4″ гаечный ключ
4 – монета пенни 1967 г.
5 – монета полпенни 1967 г.
6 – 2″ гвоздь
7 – монета пенни 1948 г.
8 – стальная пластина размерами 3″х4″
9 – монета полкроны

Рис. 4. Экспериментальные данные временной зависимости откликов от различных
металлических объектов при воздействии импульсного магнитного поля

Строгий математический анализ вторичных магнитных полей для объектов произвольной формы представляет собой сложную задачу, точное решение которой возможно только для предметов правильной простой формы. Так, если катушка в виде витка малого поперечного сечения, расположенная над бесконечным металлическим листом, возбуждается импульсом тока, то временная характеристика вектор-потенциала магнитного поля вихревых токов определяется геометрическими размерами витка, расстоянием до пластины и величиной проводимости материала /4/. Максимум магнитного вектор-потенциала и вторичного магнитного потока достигается сразу после скачка возбуждающего тока и его величина не зависит от проводимости материала и его толщины, а определяется только геометрическими размерами. Характер изменения магнитного поля во времени уже зависит и от проводимости материала и от его толщины. Это означает, что, проведя измерение величины магнитного потока сразу после скачка тока возбуждения, можно определить расстояние до металлического листа, используя известные математические выражения, а, анализируя форму сигнала во времени, можно определить и другие интересующие параметры предмета.

Технической проблемой является практическое измерение величины магнитного поля вихревых токов сразу же после скачка тока, так как в любой реальной катушке возбуждения в течение некоторого времени происходит нестационарный процесс изменения тока и возбуждающего поля, на фоне которого невозможно проведение измерения относительно малого по величине магнитного потока вихревых токов. Именно по этой причине временные зависимости, приведенные на рисунке 4 начинаются с времени 50 мкс, то есть с задержкой во времени.

В металлодетекторе «SMD-300», разработанном «Инженерно-коммерческий многопрофильный центр – 1», в максимальной степени реализованы достоинства импульсного индукционного метода применительно к задачам обследования строительных конструкций. Внешний вид металлодетектора показан на рисунке 5.

Рис. 5. Внешний вид металлодетектора «SMD-300»

Работа металлодетектора «SMD-300» строится на следующем принципе. С помощью катушки возбуждения создается импульс мощного магнитного поля. Приемная магнитная катушка принимает вторичное магнитное поле, измерение которого осуществляется с минимальной временной задержкой, которая в приборе составляет 10 мкс от фронта импульса возбуждения. Принимаемый вторичный сигнал оцифровывается и проводится анализ его формы, причем величина начальной амплитуды рассчитывается с учетом введенной временной задержкой. Вычислительное устройство с учетом известных параметров катушки возбуждения, величины тока в ней и параметров приемной катушки на основании известных математических выражений определяет расстояние до металлического объекта.

Можно показать, что для металлических предметов с малым значением толщины проводящего слоя длительность процессов затухания магнитного потока вихревых токов пропорциональна величине , где — проводимость металла, — толщина металлического слоя. Это означает, что в результате анализа временной формы магнитного потока можно оценивать величину толщины металлического листа с известной проводимостью металла. При неизвестной величине проводимости можно примерно осуществить оценку толщины металлического слоя в расчете на предполагаемый тип искомого металла.

Определение других характеристик металлических предметов (размеры, форма, глубина расположения) представляет собой сложную математическую проблему, требующую решения электродинамической задачи со сложными граничными условиями. Даже для объектов конечных размеров условно простой и правильной формы (параллелепипед, сфера, цилиндр и т. п.) точное решение задачи проблематично с применением микропроцессорной техники, позволяющей реализовать аппаратуру в приемлемых габаритах. Поэтому в аппаратуре «SMD-300» применен упрощенный, но обеспечивающий достаточные для практики результаты алгоритм оценки геометрических параметров металлических предметов. Для получения основных соотношений, связывающих поле возбуждения, параметры металлодетектора, геометрические параметры металлического объекта и поле вихревых токов, в аппаратуре применяются две катушки возбуждения и одна приемная катушка. На рисунке 6 приведена упрощенная схема расположения всех компонентов взаимодействия магнитных полей в виде соосных витков.

Рис. 6. Схема расположения катушек

аппаратуры «SMD-300»

Для искомого металлического объекта радиус некоторого витка можно рассматривать как усредненный показатель его геометрических размеров. Для такой геометрической модели представления катушек металлодетектора и искомого объекта, напряжение на приемной катушке может быть представлено в следующем виде:

,

где — величина тока в катушке возбуждения, — количество витков в возбуждающей и приемной катушках соответственно, — функции взаимоиндукции катушки возбуждения и приемной катушки с искомым металлическим объектом соответственно, — нормированная функция, отображающая временную зависимость магнитного потока вихревых токов.

Функции взаимоиндукции соосных витков определяются выражением:

,

где — радиусы соосных витков, , , — эллиптические интегралы вида:

.

При условии эллиптические интегралы могут быть аппроксимированы следующими рядами:

,

.

Используя приведенные аппроксимации и полагая, что выполняется условие , можно получить выражения для расчета размеров витка и расстояния от катушек металлодетектора до искомого предмета:

,

.

Таким образом, можно аналитически связать геометрические параметры металлодетектора и рассчитать некоторые параметры искомого объекта, интересующие оператора и позволяющие не только обнаруживать объекты, но и идентифицировать их.

В аппаратуре «SMD-300» реализован следующий алгоритм расчета параметров металлических объектов:

— измеряются напряжения и в приемной катушке при поочередном возбуждении передающих катушек с радиусами и соответственно с временной задержкой 10 мкс;
— сигналы оцифровываются и анализируется временная форма зависимостей и ;
— расчетным путем восстанавливаются значения и ;
— рассчитываются функции и ;
— по вышеприведенным аппроксимациям рассчитываются и ;
— рассчитываются параметры обнаруженного металлического предмета и ;
— на основании анализа временной зависимости сигнала и величины оценивается толщина металлического предмета и его форма.

Визуализация информации для оператора в приборе «SMD-300» осуществляется на жидкокристаллическом экране, на котором она отображается в табличной и графическом видах, как показано на рисунке 7.

2

Рис. 7. Представление информации на экране прибора «SMD-300»

На рисунках 8 и 9 приведены результаты экспериментальных исследований по обнаружению различных металлических предметов аппаратом «SMD-300».

1 – виток провода диаметров 11.7 см
2 – фольга медная 10х10 см
3 – батарейка «Крона» 4.5х2.5 см
4 – монета 50 копеек

Рис. 8. Зависимости измеренных размеров предметов от дальности их расположения

– батарейка «Крона»
– виток провода диаметром 11.7 см
— фольга медная

Рис. 9. Зависимости измеренных расстояний от истинной величины дальности расположения

В Таблице 1 приведены точные результаты экспериментальных исследований для различных металлических предметов.

Таблица 1

Погрешности измерений размеров и дальности не превышают 15%, что для большинства практических приложений представляется достаточным при решении задач обнаружения металлических корпусов блоков средств негласного контроля информации, установленных в строительных конструкциях.

Кроме того, прибор «SMD-300» имеет выход на ПЭВМ, который позволяет применить на практике методы компенсации помех с регулярной структурой и методы обнаружения металлических предметов с известными ограниченными геометрическими размерами.

Металлодетектор с такими новыми для потребителя большими возможностями по анализу искомых предметов, несомненно, будет широко применяться при проведении работ по обследованию строительных конструкций с целью поиска металлических корпусов и деталей средств негласного контроля информации.

1. Щербаков Г. Н. Средства обнаружения тайников с оружием и боеприпасами в толще грунта. Специальная техника, № 2, 2000.
2. Арбузов С. О. Магниточувствительные поисковые приборы. Специальная техника, № 6, 2000.
3. Радиолокатор для зондирования строительных конструкций РАСКАН-3. Лаборатория Дистанционного Зондирования.
4. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Под ред. В. В. Клюева, 1976.