impulsowy wykrywacz metali.pdf

0 8/2000

Elektronika domowa

Impulsowy wykrywacz metali

Mikroprocesorowy wykrywacz jest

po prostu precyzyjnym miernikiem czê-

stotliwoœci który pokazuje odchy³kê wy-

wo³an¹ umieszczeniem w polu cewki

przedmiotu metalowego. Generatory,

których czêstotliwoœæ pracy zale¿y od in-

dukcyjnoœci cewki pomiarowej s¹ niesta-

bilne, st¹d problemy z tego typu wykry-

waczami. Prezentowany wykrywacz pra-

cuje w oparciu o zasadê impulsow¹.

Impulsowy wykrywacz metali posia-

da podobnie jak uk³ad klasyczny cewkê

pomiarow¹ (detekcyjn¹). Do cewki wysy-

³any jest silny a jednoczeœnie krótki im-

puls pr¹dowy. W chwili gdy pr¹d p³yn¹cy

przez cewkê jest przerywany, na jej zaci-

skach wytwarza siê przepiêcie, a dalej na-

stêpuje szybki zanik napiêcia. Je¿eli w po-

lu dzia³ania cewki znajdzie siê przedmiot

metalowy zanik przepiêcia jest szybszy.

Spowodowane to jest stratami energii ja-

kie powstaj¹ podczas przekazywania jej

do wykrywanego przedmiotu metalowe-

go w przypadku ferromagnetyków.

W przypadku diamagnetyków tak¿e wy-

stêpuje strata energii wywo³ana wzbu-

dzaniem pr¹dów wirowych. Strata energii

i zwi¹zane z ni¹ odkszta³cenie czêœci opa-

daj¹cej przebiegu s¹ niezmiernie ma³e,

ale wykrywalne. Wystarczy tylko wzmoc-

nienie sygna³u o 80 dB czyli 10000 razy.

Tego typu stosunkowo prosty wykrywacz

jest w stanie wykryæ przedmiot metalowy

o masie 1 kg z odleg³oœci ok. 1÷1,5 m.

Obr¹czkê wa¿¹c¹ 3 g wykrywa z 10 cm.

Dane te dotycz¹ powietrza. Zasiêg pod

ziemi¹ jest z regu³y nieco mniejszy i zale-

¿y w du¿ym stopniu od sk³adu gleby i jej

wilgotnoœci.

Poszukiwanie skarbów staje siê coraz popularniejszym zajêciem.

Tworz¹ siê fankluby i nawet pojawiaj¹ siê specjalistyczne czaso-

pisma poruszaj¹ce t¹ tematykê. Co prawda twierdzê nieodmien-

nie, ¿e naj³atwiej jest znaleŸæ na pla¿y zgubione monety, ale nie

wszyscy zgadzaj¹ siê z t¹ opini¹. W Praktycznym Elektroniku pre-

zentowano ju¿ dwa uk³ady wykrywaczy metali, lecz ten opisany

w poni¿szym artykule bazuje na zupe³nie innej metodzie wykry-

wania metalu. Trzeba przyznaæ, ¿e jak na konstrukcje amatorsk¹

posiada on naprawdê du¿¹ czu³oœæ. Musimy te¿ ostrzec Czytelni-

ków, ¿e pod ziemi¹ kryje siê jeszcze wiele niewypa³ów i niewybu-

chów. Prowadz¹c prace poszukiwawcze koniecznie trzeba zacho-

waæ odpowiedni¹ ostro¿noœæ. Pamiêtajmy tak¿e o tym aby kopi¹c

do³y nie niszczyæ przyrody, a miejsca prac doprowadziæ do stanu

pierwotnego.

Opisane dotychczas w Praktycznym

elektroniku wykrywacze charakteryzowa-

³y siê prac¹ ci¹g³¹. Cewka pomiarowa

w kszta³cie ko³a zasilana by³a z generato-

ra o czêstotliwoœci kilkunastu kilocher-

ców. Dok³adniej mówi¹c cewka ta by³a

elementem generatora. Indukcyjnoœæ

cewki wraz z do³¹czon¹ pojemnoœci¹

tworzy³a obwód rezonansowy. Gdy

w polu dzia³ania cewki znalaz³ siê

przedmiot metalowy dzia³a³ on jak rdzeñ

wp³ywaj¹c na zmianê indukcyjnoœci. Po-

ci¹ga³o to za sob¹ zmianê czêstotliwoœci

generacji. Niewielkie odchy³ki czêstotli-

woœci generatora mo¿na zmierzyæ na

dwa sposoby. Pierwszym jest metoda

zdudnieniowa, polegaj¹ca na zmieszaniu

ze sob¹ sygna³ów generatora wzorcowe-

go i generatora LC w którym indukcyj-

noœæ tworzy cewka pomiarowa. Efektem

zdudnienia jest ton o czêstotliwoœci za-

le¿nej od ró¿nicy czêstotliwoœci generato-

ra LC i generatora wzorcowego. Im ton

wy¿szy tym zmiana indukcyjnoœci wiêk-

sza. Zmiana czêstotliwoœci zale¿y od

wielkoœci przedmiotu umieszczonego

w polu cewki i od odleg³oœci cewki od

wykrytego przedmiotu.

Klasyczny uk³ad takiego wykrywacza

nie jest w stanie rozró¿niæ czy czêstotli-

woœæ wzros³a czy te¿ zmala³a. Zmiana to-

nu w obu przypadkach jest jednakowa.

Mo¿liwe jest jednak wyposa¿enie wykry-

wacza w dodatkowy uk³ad porównuj¹cy

obie czêstotliwoœci i pokazuj¹cy kierunek

zmian. Taki wykrywacz jest w stanie

odró¿niæ ¿elazo od z³ota czy srebra. To

pierwsze jest ferromagnetykiem, czyli po-

woduje wzrost indukcyjnoœci i zmniejsze-

nie czêstotliwoœci generacji. Natomiast

z³oto lub srebro zalicza siê do grupy dia-

magnetyków, czyli materia³ów o przeni-

kalnoœci magnetycznej mniejszej ni¿ pró¿-

nia. Powoduj¹ one zmniejszenie induk-

cyjnoœci cewki pomiarowej i wzrost czê-

stotliwoœci generacji.

Opis uk³adu

s, powtarzaj¹c¹ siê

co 16 ms. Jak widaæ szerokoœæ szpilki jest

bardzo ma³a. Stopieñ wzmacniacza pr¹-

dowego T2 steruje tranzystorem Darling-

tona T1, do którego po³¹czona jest cewka

pomiarowa. Ma³e wartoœci rezystorów

w obwodzie bazy T2 i T2 pozwalaj¹ uzy-

skaæ niezbêdne krótkie czasy narostu sy-

gna³u, tak aby impuls pr¹dowy bardzo

szybko zanika³. Cewka pomiarowa w³¹-

czona jest pomiêdzy napiêcie zasilania

i kolektor tranzystora T1. Równolegle do

cewki do³¹czony jest rezystor R7 o ma³ej

wartoœci, który silnie t³umi oscylacje poja-

Uk³adem wytwarzaj¹cym impulsy jerst

generator US1 (rys. 1). Na jego wyjœciu

otrzymuje siê ujemn¹ szpilkê napiêcia

o czasie trwania 150

Wykrywacz metali

8/2000

wiaj¹ce na cewce po wy³¹czeniu pr¹du.

Wartoœæ przepiêcia na cewce dochodzi

nawet do 60 V (rys. 2).

Sygna³ z cewki pomiarowej podlega

ograniczeniu amplitudy w uk³adzie dio-

dowym D2, D3, sk¹d doprowadzony jest

do wzmacniacza operacyjnego US5.

Wzmocnienie tego wzmacniacza okreœlo-

ne jest stosunkiem rezystorów R26 do

R25 i wynosi blisko 80 dB. W uk³adzie za-

stosowano stary wzmacniacz LM 709

z zewnêtrzn¹ kompensacj¹ charakterysty-

ki czêstotliwoœciowej. W uk³adzie kom-

pensacji pracuj¹ elementy R29, C19,

C20. Uk³ad ten posiada szerokie bardzo

szerokie pasmo czêstotliwoœci. Mo¿na go

zast¹piæ nowsz¹ konstrukcj¹ odpowie-

dniego wzmacniacza, ale takie typy s¹

doœæ trudno dostêpne.

Przy tak du¿ym wzmocnieniu

wzmacniacz musi byæ wyposa¿ony w ze-

rowanie, które mo¿na przeprowadziæ

przy pomocy potencjometru P2. Ponad-

to wzmacniacz zasilany jest wy¿szym

napiêciem +12 V pochodz¹cym z lokal-

nej przetwornicy +6 V na +12 V. Oby-

dwa wejœcia wzmacniacza polaryzowa-

ne s¹ napiêciem +6 V doprowadzanym

przez rezystory R27 i R28. Kszta³ty prze-

biegów wystêpuj¹cych na nó¿kach

wzmacniacza pokazano na rysunku 2.

Sygna³ wystêpuj¹cy na wyjœciu wzmac-

niacza jest w specyficzny sposób znie-

kszta³cony. W czasie trwania impulsu

pr¹dowego p³yn¹cego przez cewkê

wzmacniacz jest nasycony, a w³aœciwy

sygna³ u¿yteczny pojawia siê kawa³ek

dalej w postaci charakterystycznej „gór-

ki”. Wysokoœæ „górki” mo¿na regulowaæ

przy pomocy potencjometru zerowania.

„Górkê” tworzy wzmocniony o 80 dB

sygna³ fragmentu opadaj¹cego zbocza

s po za-

koñczeniu przep³ywu pr¹du przez cewkê

konieczny jest uk³ad generowania steru-

j¹cego impulsu „selekcyjnego” po³o¿one-

go w tym czasie. Zadanie to spe³nia

uk³ad monowibratorów zbudowanych

z bramek NAND. Bramka A jest niewyko-

rzystywana. Uk³ad ró¿niczkuj¹cy C4, R9

i bramka B wytwarzaj¹ dodatni impuls

o czasie trwania ok. 45

s do 105

s (rys. 2). Opa-

daj¹ce zbocze tego impulsu wyzwala mo-

nowibrator pracuj¹cy z bramkami C i D,

wytwarzaj¹cy interesuj¹cy nas impuls

„selekcyjny”, pojawiaj¹cy siê na wyjœciu

bramki C. Zostaje on doprowadzony do

klucza analogowego zbudowanego na

1000 m F

1N4001

+6V

C4 1n

US2 CD4011

R10

100k

330 W

47k

US1

557B

33k

NE555

1,2k

33k

R11

R12

47k

+6V

100k

100 W

240 W

100n

R27

220n

R23

10k

C18

R24

100 W

BDX53A

C19

330 W

100n

10p

R31

BF245C

R26

R29

100k

1,5k

R25

R16

100 W

US5

R32

470k

R17

R28

LM709

220k

R18

C20

470n

C13

3,3p

BC547B

KP103¯

47 m F

R33

R13*

US3

R19

R20

G£1

16÷32 W

820k

C14

22 m F

C21

R30

200k

47 m F

620 W

10k

18k

R15

741

100k

10k

R21

US4

C12

2,2k

NE555

R14*

22 m F

47 m F

C17

56k

22 m F

C10

C11

100n

220n

R22

C15

C16

47 m F

US6

ICL7660

47n

180 W

D2÷D6 – 1N4148

Rys. 1 Schemat ideowy impulsowego wykrywacza metali

impulsu przepiêciowego, którego nie

mo¿na zaobserwowaæ na wyjœciu cewki

ze wzglêdu na bardzo ma³¹ amplitudê.

Poniewa¿ interesuj¹cy nas obszar

opadania przepiêcia znajduje siê w ob-

szarze czasu od 45

0 8/2000

Wykrywacz metali

3 nó¿ka

ne jako jedyne JFET-y z kana³em. W miej-

sce tego tranzystora mo¿na zastosowaæ

prawie ka¿dy tranzystor polowy ma³ej

mocy z kana³em p np.: 2N5460,

2N5161, 2N5462.

Cewkê nawija siê po okrêgu o œredni-

cy 19 cm, nawijaj¹c 21 zwojów. Do nawi-

niêcia zastosowaæ mo¿na drut nawojowy

DNE 0,3÷0,4 mm. Po nawiniêciu cewkê

nale¿y zalaæ ¿ywic¹, tak aby uzyska³a

sztywnoœæ, a druty nie mog³y siê przemie-

szczaæ. Niestety czynnoœæ ta wymaga tro-

chê pracy i dok³adnoœci. Po³¹czenie cewki

z wykrywaczem nale¿y poprowadziæ

przewodem ekranowanym o d³ugoœci nie

przekraczaj¹cej 1 m. Ekran przewodu ³¹-

czy siê z napiêciem +6 V, a ¿y³ê z kolek-

torem T1. Odpowiednie punkty na p³ytce

oznaczone s¹ liter¹ L1. Drugie koñce

przewodu ³¹czy siê z cewk¹, przy czym

kolejnoœæ po³¹czenia wyprowadzeñ cewki

nie ma znaczenia.

Do uruchamiania wykrywacza wska-

zane jest posiadanie oscyloskopu. Nale¿y

wtedy sprawdziæ wszystkie przebiegi po-

dane na rysunku 2. Potencjometrem P2

nale¿y uzyskaæ „górkê” jak najbardziej

zbli¿on¹ do tej narysowanej na rysunku

drugim (przedostatni przebieg). Jej am-

plituda powinna byæ równa ok. 1/3 am-

plitudy, znajduj¹cego siê na lewo od gór-

ki, przebiegu prostok¹tnego. Zbli¿aj¹c do

cewki niewielki przedmiot metalowy

mo¿na zaobserwowaæ zmniejszanie siê

amplitudy „górki”, co wykrywa kompara-

tor. Sygna³ na wejœciu komparatora (nó¿-

ka 2) powinien byæ zbli¿ony do tego

z rys. 2 (przebieg na samym dole).

Krêc¹c potencjometrem P1 nale¿y

ustawiæ go w takim po³o¿eniu aby z g³o-

œniczka dobiega³y pojedyncze „stukniê-

cia”. Zbli¿enie metalowego przedmiotu

do cewki powinno spowodowaæ wzrost

czêstotliwoœci stuków, a¿ do tonu ci¹g³e-

go. Je¿eli na wyjœciu US6 „górka” jest pra-

wid³owa, a g³oœnik nie „stuka” nale¿y do-

braæ zakres regulacji P1 zmieniaj¹c warto-

œci R13* i R14*. Wskazane jest aby zakres

regulacji P1 nie by³ zbyt du¿y, gdy¿ wte-

dy ciê¿ko jest ustawiæ pojedyncze stuki

generatora akustycznego. W trakcie pracy

regulowanie potencjometrem P1 jest nie-

zbêdne. W ten sposób uzyskuje siê ma-

ksymaln¹ czu³oœæ.

Podczas obserwacji oscyloskop

dobrze jest synchronizowaæ sygna-

³em opadaj¹cego zbocza przebiegu na

wyjœciu US1 (nó¿ka 3), otrzyma siê wtedy

stabilny obraz.

US1

150 m S

~16ms

nó¿ka 3

US1

150 m s

~45 m s

nó¿ka 3

US2

~60 m s

nó¿ka 10

US2

60V

kolektor

nó¿ka 2

US5

6,7V

nó¿ka 6

US5

nó¿ka 2

US3

Rys. 2 przebiegi w punktach uk³adu

tranzystorze polowym z kana³em n T3.

W czasie trwania impulsu, gdy do bram-

ki jest doprowadzony poziom wysoki na-

piêcia tranzystor jest w³¹czony, przepu-

szczaj¹c tym samym sygna³ do dalszej

czêœci uk³adu.

Detekcja sygna³u przeprowadzana

jest w uk³adzie komparatora bêd¹cego

równoczeœnie uk³adem ca³kuj¹cym US3.

Poziom detekcji ustawia siê wyprowa-

dzonym na zewn¹trz potencjometrem

P1. Sygna³ wyjœciowy uk³adu ca³kuj¹cego

steruje prac¹ tranzystora T5. Tranzystor

ten z kolei po³¹czony jest z tranzystorem

polowym T4 posiadaj¹cym kana³ typu P.

T4 spe³nia funkcjê regulowanego rezy-

stora w sta³ej czasowej generatora aku-

stycznego US4, do którego wyjœcia do³¹-

czony jest miniaturowy g³oœniczek lub

s³uchawki. W stanie spoczynku generator

jest zablokowany. Po pojawieniu siê sy-

gna³u na wyjœciu uk³adu ca³kuj¹cego

tranzystor T4 powoli otwiera siê i w g³o-

œniczku s³ychaæ stuki, które w miarê zbli-

¿ania do cewki przedmiotu metalowego

przechodz¹ w coraz szybszy stukot,

a póŸniej w ton ci¹g³y.

Do zasilania uk³adów US5 i US3

niezbêdne jest napiêcie wy¿sze ni¿ na-

piêcie zasilania wynosz¹ce +6 V. Do

podwy¿szania napiêcia wykorzystano

scalon¹ przetwornicê podwajaj¹c¹ na-

piêcie US6. Uk³ad pobiera z baterii pr¹d

rzêdu 20 mA.

Monta¿ i uruchomienie

Przy zakupie elementów jedyny pro-

blem mo¿e sprawiæ tranzystor polowy

z kana³em typu p. Na schemacie podano

tranzystor produkcji dawnego ZSRR

w zapisie ³aciñskim. Na oryginalnym

tranzystorze litery zapisane s¹ cyrylic¹.

Tranzystory te by³y kiedyœ u nas popular-

Wykrywacz metali

8/2000

Wykaz elementów

Pó³przewodniki

US1, US4

– NE 555

US2

– CD 4011

ARTKELE

US3

–

A 741

US5

– LM 709

530

US6

– ICL 7660

T1B

– DX 53A

– BC 557B

– BF 245C

741

– KP 103¯, 2N5460,

2N5461, 2N5462

– BC 547B

– 1N4001

D2÷D6

– 1N4148

Rezystory

R6, R7,

R16, R25

– 100

/0,125 W

R22

– 180

/0,125 W

– 240

/0,125 W

R4, R24

– 330

/0,125 W

709

R30

– 620

/0,125 W

R2, R27, R28 – 1 k

/0,125 W

CD4011

– 1,2 k

/0,125 W

R29

– 1,5 k

/0,125 W

R21

– 2,2 k

/0,125 W

R15, R19, R23 – 10 k

/0,125 W

R20

– 18 k

/0,125 W

R8, R9

– 33 k

/0,125 W

R10, R12

– 47 k

/0,125 W

patrz opis w tekœcie

R1, R11, R31 – 100 k

– 56 k

/0,125 W

R13*

– 200 k

/0,125 W

patrz opis w tekœcie

R32

– 220 k

/0,125 W

Rys. 3 P³ytka drukowana i rozmieszczenie elementów

/0,125 W

R17, R18, R26 – 1 M W /0,125 W

– 820 k

Je¿eli nie posiadamy oscyloskopu

pozostaje eksperymentalne krêcenie

potencjometrami P1 i P2, tak aby

w g³oœniczku da³o siê s³yszeæ pojedyncze

„stuki”. Teraz nale¿y zbli¿yæ do cewki

niewielki przedmiot metalowy i zaob-

serwowaæ w jakiej odleg³oœci od cewki

czêstotliwoœæ stuków zacznie wzras-

taæ. Po tym nale¿y nieco zmieniæ usta-

wienie P2, a przy pomocy P1 ponownie

doprowadziæ do pojedynczych „stu-

ków”. Ponownie zbli¿aj¹c ten sam co

poprzednio przedmiot metalowy spraw-

dziæ czy jest ona wykrywany z wiêkszej

czy z mniejszej odleg³oœci. Powtarzaj¹c

te czynnoœci kilka razy mo¿na ustawiæ

najwiêksz¹ czu³oœæ, czyli maksymaln¹

odleg³oœæ wykrywania przedmiotu. Na-

le¿y pamiêtaæ, ¿e ka¿dorazowe ruszenie

potencjometru P2 wymaga ponownego

skorygowania P1 aby otrzymaæ poje-

dyncze „stuki”.

W trakcie regulacji cewka wykrywa-

cza powinna znajdowaæ siê z dala od

przedmiotów metalowych. Uruchamianie

nale¿y prowadziæ z dala od w³¹czonych

urz¹dzeñ sieciowych posiadaj¹cych prze-

twornicê (telewizor, komputer, monitor,

¿arówki energooszczêdne). Niewielkie

pole magnetyczne emitowane przez te

urz¹dzenia wychwytywane jest przez

cewkê pomiarow¹ i zak³óca pracê bardzo

czu³ego wykrywacza.

Teraz pozostaje ju¿ tylko wyprawa po

skarby. ¯yczê przyjemnych poszukiwañ.

P³ytki drukowane wysy³ane s¹ za zalicze-

niem pocztowym. P³ytki mo¿na zama-

wiaæ w redakcji PE.

Cena: p³ytka numer 530 – 9,80 z³

+ koszty wysy³ki.

– 100 k W -A PR 185

– 470 k W miniaturowy

Kondensatory

C20 – 3,3 pF/50 V ceramiczny

C19 – 10 pF/50 V ceramiczny

C4÷C7 – 1 nF/25 V KSF-ZM-020

C15 – 47 nF/50 V ceramiczny

C3, C11, C18 – 100 nF/50 V MKSE-20

C2, C10 – 220 nF/50 V MKSE-20

C8 – 470 nF/50 V MKSE-20

C9, C14, C17 – 22

F/25 V

C12, C13,

C16, C21

– 47

F/25 V

– 1000

F/16 V

Inne

L1 – patrz opis w tekœcie

p³ytka drukowana numer 530

à Jan Domagalik

R14*

R33

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: