Альтернативные датчики для металлоискателя Кощей-20М

Часть 1. Широкополосный концентрический датчик

Для изучения технологии настройки датчиков для Кощея-20М и демонстрации его универсальности рассмотрим настройку прибора для работы с 200-мм концентрическим датчиком, который применялся в предыдущей модели нашего IB детектора. Для общности описания будем считать, что мы изготавливаем этот датчик "с нуля" и повторим описание некоторых важных технологических моментов из наших прошлых статей с добавлением новых важных нюансов.
Итак, вначале нам потребуется намотать катушки. Передающая катушка мотается проводом диаметром 0.63-0.67мм на оправке диаметром 180мм и шириной 6мм. Эта катушка должна содержать 24 витка. Компенсирующая катушка мотается таким же проводом на оправке диаметром 74мм и шириной 6мм. Она содержит 8 витков. Эту обмотку нужно намотать аккуратно виток к витку. Поверх нее мотается приемная катушка проводом диаметром 0.31-0.33мм. Мотать нужно 240 витков. При намотке этой катушки нужно соблюсти одну тонкость - начальные витки должны как можно скорее скрыть под собой компенсирующую катушку. Благодаря этому при балансировке мы сможем обойтись без дополнительных компенсирующих цепей! А объяснение здесь простое - позже мы подключим начало обмотки приемной катушки к "земляному" потенциалу. В результате начальные витки будут экранировать остальную обмотку от компенсирующей катушки, существенно уменьшая паразитную емкостную связь. После намотки всех катушек их нужно аккуратно и плотно увязать нитками и снять с оправок.
Сначала берем заливочную форму и укладываем в радиальные "спицы" углублений полоски из стеклоткани или обычной ткани (для армирования). Сверху укладываем наши катушки. Перед укладкой узелки стягивающих нитей разворачиваем таким образом, чтобы они оказались снизу. Это приподнимет катушки и позволит смоле легко затечь под них.

Далее подключаем катушки к кабелю согласно схеме. Особое внимание следует уделить фазировке катушек при подпайке кабеля. Передающая и компенсирующая катушки должны быть включены встречно. Для удобства восприятия на схеме условно показаны начала и концы всех катушек в виде выводов, выходящих из катушек в определенном направлении. Именно так и нужно ориентировать и распаивать концы "настоящих катушек". На рисунке ниже показан способ подключения датчика с помощью S-VHS кабеля Belsis BW7809PL. Однако теперь нам не нужно гоняться за экстремально низким сопротивлением жил кабеля, как в предыдущей модели нашего IB детектора. Кощей-20М не использует рекуперацию реактивной энергии в цепи передатчика, поэтому требования к кабелю существенно снижаются - сопротивление жил кабеля в 1-2 Ома теперь вполне допустимы. По электрическим параметрам теперь нам подойдет любой стерео-кабель или S-VHS кабель с раздельными изолированными экранами. Главным ограничителем теперь выступают механические свойства кабеля - он должен быть достаточно прочным и иметь внешний диаметр 5-7мм для надежного зажима в гермовводе.

Выводы катушек фиксируем с помощью небольшой цилиндрика из пластилина. Кроме фиксации выводов, он играет еще одну важную технологическую роль - в дальнейшем он формирует места выходов проводов из заливочной массы. Для этого в блистерной форме есть небольшое цилиндрическое углубление, которое должен плотно заполнить нижний конец пластилинового цилиндрика. Входы проводов обмоток в цилиндрик должны при этом располагаться на уровне горизонтальной поверхности пластика блистерной формы, а выходы в сторону распайки кабеля - выше уровня заливки эпоксидной смолы.

Теперь приступаем к предварительной балансировке датчика. Сначала в пункте меню "Параметры" устанавливаем "Усиление" равным 8 и запоминаем его, нажав ВВОД. Далее располагаем датчик подальше от металлических предметов и включаем сервисный режим "Калибровка тракта".
Рассмотрим особенности этого режима у Кощея-20М. Для того, чтобы этот режим стал доступен, необходимо находясь в пункте меню "Контроль батареи" (см. инструкцию по эксплуатации, ссылка) нажать не менее 8 раз кнопку ↓. После этого возвращаемся в основное меню, нажимаем несколько раз кнопку ↓ и убеждаемся в том, что у нас появился дополнительный пункт "Калибровка тракта". Входим в него, нажав кнопку ВВОД. На экране мы будем наблюдать изображение, подобное показанному ниже.

Идеология подстройки Кощея 20М под различные датчики заключается в том, что для каждого датчика выделяется один или несколько профилей (по одному профилю под каждую частоту в случае широкополосного датчика). С помощью кнопок ← и → выбираем один из 25 профилей и, нажав кнопку ВВОД, попадаем в режим настройки.

Как можно заметить, у Кощея-20М этот режим существенно более насыщенный, чем у предыдущей модели. Рассмотрим подробнее назначение каждого элемента.
В правом верхнем углу индицируется номер редактируемого профиля. Это сделано для того, чтобы этот номер был на виду и мы случайно не испортили другой рабочий профиль.
В верхней части экрана находятся две шкалы X(выше) и Y(ниже). Эти шкалы индицируют абсолютный уровень сигналов X и Y на выходе синхронного детектора. В правильно сбалансированном тракте эти сигналы должны быть минимальными. Т.е. указатели уровня сигнала должны находиться около центральной (нулевой) отметки. Под ними находятся еще две шкалы ΔX(выше) и ΔY(ниже). Эти шкалы индицируют приращения шкал X и Y . Чувствительность шкал приращений примерно в 100 раз выше, чем у абсолютных шкал. Обнуление приращений происходит при нажатии на любую из кнопок навигации (стрелку). Слева под шкалами находится индикатор тока выходного каскада. Эти пять параметров (шкалы и индикатор тока) предназначены для наблюдения за реакцией металлоискателя. Остальные индикаторы предназначены для задания параметров сигналов. Выбор изменяемого параметра производится с помощью кнопок ← и →. Выбранный параметр индицируется подчеркиванием. Изменение параметра осуществляется кнопками ↑ и ↓. Рассмотрим каждый параметр подробнее.
Параметр Ч (частота) задает рабочую частоту в килоГерцах в диапазоне от 4.01кГц до 9.95кГц.
Параметр А (амплитуда) задает амплитуду выходного сигнала в условных единицах. Значение может меняться от 0 до 99.
Параметр Ф (фаза) задает фазу выходного сигнала. Значения могут меняться от 0.0 до 359.9 градусов.
Параметр а (амплитуда) задает амплитуду сигнала электронной компенсации в условных единицах. Значение может меняться от 0 до 99.
Параметр ф (фаза) задает фазу сигнала электронной компенсации. Значения могут меняться от 0.0 до 359.9 градусов.
Теперь покажем на примере как все это использовать для настройки. Итак, подключаем датчик к прибору, включаем его, с помощью описанных выше манипуляций делаем доступным пункт меню "Калибровка тракта" и входим в него, выбрав для редактирования профиль №2.
Первым делом с помощью кнопок навигации изменяем значение рабочей частоты. Пусть это будет 4.01кГц. Далее выставляем амплитуду электронной компенсации равной нулю. Ее фаза на данном этапе значения не имеет. Фазу выходного сигнала выставляем в пределах 150-170градусов, амплитуду выходного сигнала уменьшаем до нуля. Далее начинаем плавно повышать амплитуду выходного сигнала, и следим за поведением шкал X и Y.
Намоточные данные катушек подобраны таким образом, чтобы вначале компенсирующая катушка создавала небольшую избыточную компенсацию. В этом случае шкалы X и Y отклоняются вправо. А при попытке слегка приподнять малую катушку над формой, эта картина только усугубляется. Т.е. шкалы при этом не должны переходить влево через ноль. Если же у вас при подъеме все-таки показания шкал переходят через ноль, значит, из-за погрешностей в диаметрах провода или оправок получилась небольшая недокомпенсация. Тем не менее, в таком случае датчик также можно сбалансировать, об этом будет сказано ниже.
Рассмотрим способ устранения небольшой перекомпенсации. Для этого нам нужно немного удалить компенсирующую катушку от приемной. Делаем это с помощью деревянной зубочистки - внедряем ее под витки компенсирующей катушки и слегка отгибаем их к центру. При этом следим за показаниями, стремясь получить нулевой баланс по обеим шкалам X и Y.

Т.к. провод компенсирующей катушки достаточно жесткий, отогнутые витки не нуждаются в дополнительной фиксации. Следя за показаниями шкал, отгибаем необходимое число витков. Если для баланса не хватает витков одного сектора между нитяными утяжками, переходим к другому сектору. Добившись близких к нулю показаний при определенной амплитуде выходного сигнала, повышаем ее и при необходимости корректируем положение витков. Максимальное значение амплитуды выходного сигнала для разных датчиков и разных частот будет разным. В общем случае при самостоятельном экспериментировании с новым датчиком нужно наблюдать с помощью осциллографа за выходным сигналом и остановиться когда форма сигнала (синусоида) начнет искажаться. В случае же повторения наших конструкций ситуация упрощается - мы укажем примерные значения параметров, которые должны получиться. Итак, конкретно для этого датчика на частоте 4кГц амплитуду выходного сигнала следует повышать до достижения тока выходного каскада около 150мА. При этом амплитуда выходного сигнала будет в пределах 45..50. Добившись с помощью витков разбаланса по шкалам X и Y не хуже +80%, предварительную балансировку можно считать завершенной. Чтобы запомнить уже настроенные параметры, нажимаем кнопку ВВОД. На экране появится надпись, требующая подтверждения.

Снова нажимаем ВВОД. Далее выключаем прибор, отпаиваем кабель и приступаем к заливке катушек эпоксидной смолой. Для этих целей нам понадобится примерно 100-110грамм смолы. В конце заливки загибаем "хвосты" армирующих лент вовнутрь "спиц" и оставляем форму на ровной поверхности на 24 часа для застывания смолы.

После застывания смолы извлекаем отливку из формы. Форму при этом можно не жалеть - в нужных местах кромсаем ее ножницами. Удаляем пластилин, а через образовавшееся отверстие протягиваем концы проводов на другую сторону отливки. В результате получаем такую изящную и прочную конструкцию:

Теперь датчик нужно заэкранировать. Для этих целей используем токопроводящий лак на основе нитролака и измельченного графита. Такой лак можно купить на радиорынке либо сделать самостоятельно. Напомним технологию его изготовления. Нам потребуется нитролак (например - НЦ-218 или НЦ-243) и графитовый порошок. Графитовый порошок иногда продается в магазинах хозтоваров. Также такой порошок можно сделать самостоятельно, измельчив электротехнические графитовые щетки. Для приготовления токопроводящего лака нужно смешать примерно в равных объемных пропорциях нитролак и графитовый порошок и тщательно перемешать полученную смесь.
Следующий этап - это покрытие корпуса датчика токопроводящим лаком. В данной конструкции экранируется не корпус, а непосредственно залитые катушки. С помощью кисти покрываем лаком "малое кольцо". Не забываем установить вывод заземления - небольшой отрезок многожильного изолированного провода, один конец которого нужно зачистить и "распушить", а потом смазать проводящим лаком. Для удобства этот проводник можно предварительно зафиксировать с помощью капли термоклея. Внимание: Передающую катушку в этом датчике экранировать не нужно!
После нанесения лака датчик необходимо просушить в течение нескольких часов, а затем проверить качество экрана. Для этого необходимо подключить один из щупов тестера к медному проводнику, а второй плотно прижимать к различным точкам экрана. Тестер в режиме измерения сопротивления должен показывать сопротивление от сотен Ом до единиц килоОм. Если это сопротивление больше, значит, лак содержал слишком мало графитового порошка. В этом случае необходимо добавить в лак графита и повторить покрытие корпуса лаком.

Далее приступаем к размещению датчика внутри корпуса. Прикручиваем к кронштейну гермоввод. Гайку гермоввода желательно зафиксировать каким-либо клеем или компаундом. Затем пропускаем через гермоввод конец кабеля.

Теперь этот конец кабеля изгибаем и плотно укладываем внутри кроштейна, затем надежно фиксируем с помощью термоклея.

Дальше приступаем к подготовке крышек корпуса. На верхней крышке с помощью бокорезов или скальпеля нужно удалить четыре бобышки (синие стрелки). Затем сверлим шесть отверстий диаметром 3мм и зенкуем их сверлом 6-7мм под головку самореза (зеленые стрелки). Потом сверлим отверстие диаметром 7-8мм под кабель (красная стрелка). На нижней крышке только удаляем бобышки. Бобышки не выбрасываем, они нам пригодятся позже.

Далее продеваем конец кабеля в отверстие на крышке и прикручиваем кронштейн с помощью нержавеющих саморезов 3х16мм. В районе "ушей" кронштейна для повышения прочности соединения можно применить саморезы 3х20мм или 3х25мм. Внимание: саморезы должны быть обязательно нержавеющими. Они, в отличие от обычных стальных, не приводят к разбалансу датчика.
Далее вставляем датчик внутрь верхней крышки корпуса и смотрим, что у нас получилось:

Теперь нам нужно зафиксировать датчик внутри верхней крышки корпуса. Для этого приподнимаем датчик и наносим внутри корпуса в местах, показанных стрелками, термоклей. Термоклей должен быть хорошо разогрет. Затем плотно прижимаем датчик к крышке. В месте выхода кабеля (синяя стрелка) клей должен выступить вовнутрь и загерметизировать отверстие вокруг кабеля. Концы кабеля ориентируем вдоль днища образовавшейся "ванночки", в которую будет производиться финишная заливка, фиксирующая выводы обмоток. По поводу термоклея хотим обратить внимание, что "не все стиральные порошки одинаково хороши" :-). Очень неплохо себя зарекомендовал термоклей TOPEX. В отличие от дешевых марок клея он дает весьма надежное соединение с полистиролом и эпоксидной отливкой.

Далее подпаиваем концы катушек к кабелю согласно схеме, которая была приведена выше. Обращаем ваше внимание, что при использовании кабеля BW7809PL (или подобного), экранирование катушек идет только по цепи "земляного" провода приемной катушки. А экран проводника, подключаемого к передатчику, в данном включении к земле не подключен. Поэтому нужно следить за тем, чтобы при монтаже в разъеме и датчике эти экраны между собой не соприкасались!
Подключаем датчик к прибору, входим в режим "Калибровка тракта" для профиля №2 и проверяем баланс. Теперь нам нужно будет уделить особое внимание выводам из более толстого провода, которые подпаиваются к кабелю. Положение этих выводов существенно влияет на баланс! Поэтому их нужно уложить оптимальным образом. Наибольшую чувствительность к балансировке эти выводы имеют при укладке рядом с приемной катушкой. Направление укладки также имеет значение. От него зависит в какую сторону мы движемся - перекомпенсации или недокомпенсации. Следим за показаниями шкал и укладываем выводы таким образом, чтобы баланс по обеим шкалам стремился к нулю. Учитывая, что динамический диапазон Кощея-20М в несколько раз больше, чем диапазон предыдущей модели, а также учитывая наличие электронной компенсации, на данном этапе по шкалам Х и Y допустим достаточно большой разбаланс - до +80%. При укладке также нужно оставить небольшую петельку размером 1-2см, которая будет возвышаться над поверхностью "ванночки".

Отдельно следует остановиться на случае, когда балансировка с помощью имеющихся "хвостов" не получается. В этом случае один из выводов следует нарастить таким же проводом и уложить его по периметру внутри "ванночки". Такая петля провода играет роль вспомогательной компенсирующей обмотки. Направление укладки определяем по показаниям шкал. В случае сильного разбаланса может потребоваться несколько таких витков. Таким способом можно "лечить" и перекомпенсацию, и недокомпенсацию.
Далее размещаем датчик строго горизонтально и заливаем "ванночку" эпоксидной смолой. После застывания смолы еще раз проверяем баланс и, если нужно, корректируем его с помощью петельки, оставшейся над поверхностью. Петлю нужно прижать к поверхности и изогнуть оптимальным образом, следя за показаниями шкал.
Теперь к датчику можно приклеивать нижнюю крышку. В принципе, для этого подойдет любой универсальный клей. Но наилучшие результаты дает самодельный клей, изготовленный путем растворения полистирола в дихлорэтане. Для этого нам и сгодятся удаленные ранее бобышки. Помещаем их в какой-нибудь пузырек, заливаем небольшим количеством дихлорэтана и герметично закрываем. Ждем пока полистирол полностью растворится, на что обычно требуется пара часов. Затем смесь перемешиваем и, если нужно, разбавляем дихлорэтаном до густоты сметаны. Внимание: с дихлорэтаном нужно работать в хорошо проветриваемом помещении, т.к. его пары ядовиты! Далее приступаем к склейке. Для этого нужно аккуратно промазать клеем пазы на обеих половинках и плотно сжать их. С клеем важно не переборщить, чтобы его остатки не вылезли наружу. Кстати, одно из достоинств самодельного клея в том, что он имеет такой же цвет, что и корпус. Поэтому небольшие огрехи склейки будут малозаметны. Также следует обратить внимание, что этот клей сохнет достаточно быстро. Поэтому процесс смазывания нельзя сильно затягивать (не дольше 5-10минут).
Итак, в результате всех трудов мы получили вот такой датчик.

А теперь пришла пора описать возможности электронной компенсации Кощея-20М. Это мощный инструмент, который позволяет исправить существенные просчеты механической балансировки. На самом деле конкретно для этого датчика все, что было описано выше на счет балансировочных петель и т.д. применительно именно к Кощею-20М было сделано с большой перестраховкой и уже является необязательным :-). Все это может заменить электронная компенсация! Тем не менее, это была очень важная информация, которая нужна для понимания общих принципов балансировки. Она нам еще пригодится при настройке других датчиков, которые будут описаны в следующих статьях.
Итак, завершим балансировку нашего датчика. Если вы прилежно выполняли все инструкции, и после укладывания петельки разбаланс по шкалам X и Y получился меньше +20%, то балансировку можно считать завершенной. Однако если этого достичь не получается, например, разбаланс получился порядка разрешенных выше +80%. Или, того хуже - если шкалы ушли в насыщение, значит, пришла пора призвать на помощь электронную компенсацию. Вводить ее можно вручную, изменяя амплитуду и фазу сигнала компенсации до достижения нулевых показаний на шкалах X и Y. Однако это слишком долго и хлопотно. Вместо этого можно воспользоваться режимом автокомпенсации. Для этого достаточно, находясь в режиме "Калибровка тракта", нажать кнопку РЕЖИМ ПОИСКА. После этого на экране кратковременно появится надпись "Балансировка:", после чего прибор опять вернется в режим "Калибровка тракта". После этого разбаланс по шкалам X и Y станет близок к нулю, а значения амплитуды и фазы компенсирующего сигнала станут отличными от нуля. Для оценки возможностей автоподстройки проанализируем эти цифры. Например, если датчик имел начальную расстройку шкал около 80%, то амплитуда сигнала компенсации составит всего около 4-7. Учитывая, что максимальное значение амплитуды этого сигнала может достигать 99, можно сделать выводы о возможностях такой компенсации!
Теперь настало время выполнить фазовую калибровку тракта с помощью феррита. Спешим вас обрадовать - теперь и эта хлопотная процедура частично автоматизирована! Итак, запасаемся небольшим кусочком феррита (кольцом или стержнем), укладываем датчик на какую-нибудь подставку, не содержащую металлического крепежа (например, картонную коробку) и нажимаем кнопку БАЛАНС ГРУНТА. На экране появится следующая надпись:

Удаляем от датчика все металлические предметы, а также приготовленный феррит на 40-50см и снова нажимаем кнопку БАЛАНС ГРУНТА. На экране появится следующая надпись:

Приближаем феррит на расстояние примерно 10-15см над центром датчика. Если феррит приближен слишком близко и тракт перегружен, прибор издаст предупреждающий звуковой сигнал. В этом случае феррит нужно удалить от датчика до исчезновения сигнала перегрузки. Затем снова нажимаем кнопку БАЛАНС ГРУНТА. На экране снова появится надпись:

Удаляем феррит на 40-50см, нажимаем БАЛАНС ГРУНТА, после чего прибор возвращается в режим "Калибровка тракта". С помощью кусочка феррита проверяем правильность калибровки - подносим его к датчику на 10-15см. Напомним, при правильной фазовой калибровке при приближении феррита показание шкалы ΔX должны оставаться неизменными, а показания шкалы ΔY должны отклоняться влево! При необходимости корректируем вручную в небольших пределах значение фазы выходного сигнала до достижения таких показаний (обычно этого не требуется).
Если после фазовой калибровки тракта разъехались шкалы X и Y (такое может произойти, если после автобалансировки получилась сравнительно большая амплитуда сигнала компенсации) снова повторяем балансировку, нажав кнопку РЕЖИМ ПОИСКА. После этого настройку профиля можно считать завершенной. Нажимаем кнопку ВВОД и запоминаем все сделанные настройки.
Далее повторяем процедуру настройки еще для двух частот и запоминаем их в других профилях. Полученные важные настроечные значения для справки сведены в таблицу. Среди них нет данных по сигналу электронной компенсации. Эти параметры могут сильно отличаться для каждого конкретного случая. Хотя, если вы просто подстраивали уже готовый датчик от Кощея-18М под Кощей-20М, то с большой вероятностью можно утверждать, что электронная компенсация вам не понадобилась. Также в эту таблицу сведены данные по глубине обнаружения некоторых типовых мишеней (по воздуху).

Выводы

Главный вывод, который можно сделать из вышесказанного заключается в том, что Кощей-20М прекрасно работает с широкополосным датчиком от Кощея-18М. Глубина обнаружения типовых мишеней при этом оказывается соизмеримой. Однако энергопотребление нового прибора при этом в разы меньше - за счет меньшего напряжения питания и за счет меньшего потребления тока.
Меньший ток в датчике создает существенно меньшую напряженность поля. Это должно благотворно сказаться на глубине поиска в сильно минерализированном грунте.
Теперь пользователь гораздо более свободен в выборе рабочих частот. Хотя пока частоты выше 10кГц в текущей версии прошивки недоступны.
Процесс настройки датчиков с помощью Кощея-20М намного проще и комфортнее, по сравнению с предыдущей моделью.

Продолжение следует...