ZAacutePADOČESKAacute UNIVERZITA V PLZNI FAKULTA ELEKTROTECHNICKAacute
KATEDRA TECHNOLOGIIacute A M ĚŘENIacute
DIPLOMOVAacute PRAacuteCE
Optimalizace detektoru kovů vedouciacute praacutece Doc Ing Vlastimil Beran CSc 2012 autor Bc Lukaacuteš Beneda
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
Anotace
Ciacutele teacuteto diplomoveacute praacutece jsou zaměřeny na specifickou skupinu detektorů kovů a to na
detektory průmysloveacute V uacutevodu je popsaacuten princip využiacutevanyacute v těchto zařiacutezeniacutech a jeho možneacute
obměny Tato praacutece vznikla diacuteky spolupraacuteci se společnostiacute Loma Systems sro Dalšiacute čaacutestiacute
praacutece je popis zařiacutezeniacute teacuteto společnosti a naacutevrh optimalizace těchto zařiacutezeniacute Hlavniacutem bodem
bylo vyšetřit průběh magnetickeacuteho pole v detektoru a jeho okoliacute s ohledem na efektivniacute
stiacuteněniacute
Kliacute čovaacute slova
Průmyslovyacute detektor kovu vysiacutelaciacute ciacutevka přijiacutemaciacute ciacutevka magnetickeacute pole elektrickeacute pole
simulace poliacute Ansys citlivost rušeniacute detektoru
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
Abstract
The objectives of this thesis are focused on a specific group of metal detectors the industry
metal detectors There are the principles used in these devices and their possible variations
described in the introduction This thesis was developed in collaboration with Loma Systems
Inc company Another part is a description of the companys detector and proposal of design
optimization of these devices The main point was to investigate the distribution of the
magnetic field in the detector and its area with concern to the effective shielding
Key words
Industry metal detector transmitter coil receiver coil magnetic field electric field
simulation of fields Ansys sensitivity disturbance of detector
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
Prohlaacutešeniacute
Předklaacutedaacutem tiacutemto k posouzeniacute a obhajobě diplomovou praacuteci zpracovanou na zaacutevěr studia na
Fakultě elektrotechnickeacute Zaacutepadočeskeacute univerzity v Plzni
Prohlašuji že jsem tuto diplomovou praacuteci vypracoval samostatně s použitiacutem odborneacute
literatury a pramenů uvedenyacutech v seznamu kteryacute je součaacutestiacute teacuteto diplomoveacute praacutece
Daacutele prohlašuji že veškeryacute software použityacute při řešeniacute teacuteto diplomoveacute praacutece je legaacutelniacute
V Plzni dne 952012 Jmeacuteno přiacutejmeniacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
Poděkovaacuteniacute
Tiacutemto bych raacuted poděkoval vedouciacutemu bakalaacuteřskeacute praacutece doc Ing Vlastimilu Beranovi CSc
za cenneacute rady připomiacutenky a metodickeacute vedeniacute praacutece daacutele panu Ing Vladimiacuteru Kindlovi
PhD a Ing Jindřichu Kňourkovi za pomoc s programem Ansys společnosti Loma Systems
sro za poskytnutiacute materiaacutelů jejich zařiacutezeniacute a celkoveacuteho zaacutezemiacute pro řešeniacute teacuteto praacutece a v
neposledniacute řadě bych chtěl velmi ocenit přiacutestup k vyacutepočetniacutem kapacitaacutem MetaCentra
poskytovanyacutech v raacutemci programu Projekty velkyacutech infrastruktur pro vyacutezkum vyacutevoj a
inovace LM2010005 financovaacuten Ministerstvem školstviacute mlaacutedeže a tělovyacutechovy Českeacute
republiky
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
8
Obsah SEZNAM SYMBOL Ů 9
UacuteVOD 10
1 ZAacuteKLADNIacute FYZIKAacuteLNIacute PRINCIPY DETEKTOR Ů KOVU11
2 PRINCIPY AKTIVNIacuteCH ELEKTROMAGNETICKYacuteCH DETEKTOR Ů KOVU 12
21 PRINCIP BALANČNIacuteCH DETEKTORŮ12
3 ZAŘIacuteZENIacute SPOLEČNOSTI LOMA SYSTEMS SRO 16
31 OBECNEacute INFORMACE17 32 VYSIacuteLACIacute ČAacuteST - TX 17 33 PŘIJIacuteMACIacute ČAacuteST - RX 21 34 PRINCIP VYHODNOCOVAacuteNIacute22 35 VYVAŽOVAacuteNIacute DETEKTORU 23 36 VYacuteSTUPNIacute KONTROLA 25
4 OPTIMALIZACE A STIacuteN ĚNIacute DETEKTORU 27
41 VYŠETŘOVAacuteNIacute VLIVU POZICE RX VINUTIacute 28 411 Preprocessing - přiacuteprava skriptu 29 412 Postprocessing - ziacuteskaacutevaacuteniacute vyacutesledků 31 413 Hodnoceniacute vyacutesledků 33
42 VYŠETŘOVAacuteNIacute MNOŽSTVIacute VYZAŘOVANEacute ENERGIE43 421 Řešeniacute probleacutemu43 422 Hodnoceniacute vyacutesledků 46
5 ZAacuteVĚR 52
6 POUŽITAacute LITERATURA53
7 PŘIacuteLOHY1
71 TVORBA GEOMETRIE1 72 DEFINICE ELEMENTŮ MATERIAacuteLŮ A JEJICH PŘIŘAZENIacute K PLOCHAacuteM 2 73 SIacuteŤOVAacuteNIacute OBLASTIacute 4 74 OKRAJOVAacute PODMIacuteNKA A NASTAVENIacute BUDICIacuteHO PRŮBĚHU 4 75 NASTAVENIacute ANALYacuteZY 5 76 POSTPROCESSING6 77 MAKRO 7
EVIDENČNIacute LIST 8
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
9
Seznam symbol ů DK (-)helliphelliphelliphelliphellip detektor kovů
f (Hz)helliphelliphelliphellip frekvence
ω (s-1)helliphelliphelliphelliphellip uacutehlovaacute rychlost (frekvence)
ρ (Ωm)helliphelliphelliphellip měrnyacute odpor
micro0 (Hm-1)helliphelliphellip permeabilita vakua (4π10-7)
micror (-)helliphelliphelliphelliphellip poměrnaacute permeabilita
TRhelliphelliphelliphelliphelliphellip transformaacutetor
C (F)helliphelliphelliphelliphellip kapacita
Txhelliphelliphelliphelliphelliphellip transmitter - vysiacutelač
Rxhelliphelliphelliphelliphelliphellip receiver - přijiacutemač
SShelliphelliphelliphelliphellip stainless steel - nerezovaacute ocel
IQ2helliphelliphelliphelliphellip model detektoru společnosti Loma Systems sro
IQ3helliphelliphelliphelliphellip novějšiacute model detektoru společnosti Loma Systems sro
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
10
Uacutevod Po zveřejněniacute bakalaacuteřskeacute praacutece Detektory kovů projevila společnost Loma Systems
sro zaacutejem o spolupraacuteci v oblasti vyacuteroby a vyacutevoje průmyslovyacutech detektorů kovu
Společnosti Loma a Cintex byly založeny před 30 lety a jsou předniacutemi světovyacutemi
producenty v oblasti potravinovyacutech farmaceutickyacutech a textilniacutech kontrolniacutech systeacutemů ndash
detektorů kovu rentgenoveacute kontroly a zařiacutezeniacute kontrolniacuteho vaacuteženiacute Sveacute prestižniacute postaveniacute
ziacuteskaly diacuteky sveacute trvaleacute kvalitě a pokročilyacutem technologiiacutem což je vyacutesledkem neustaacuteleacuteho a
rozsaacutehleacuteho vyacutezkumneacuteho a vyacutevojoveacuteho programu
Hlavniacute siacutedlo je ve Farnborough ve Velkeacute Britaacutenii Vyacutezkumnaacute a vyacutevojovaacute centra jsou
jak ve Velkeacute Britaacutenii tak v Chicagu ve Spojenyacutech staacutetech a nyniacute se zřizuje i zde v Českeacute
republice Většina vyacuteroby je ve Velkeacute Britaacutenii a Chicagu nyniacute se postupně přesouvaacute do nově
zřiacutezeneacute provozovny v Českeacute republice (Dobřany) Společnost maacute takeacute přiacutemeacute prodejniacute a
servisniacute zastoupeniacute ve Francii Německu Nizozemiacute Čiacuteně Kanadě a USA Mimo tyto oblasti
těsně spolupracuje s distributory a podiacuteliacute se vyacuterobou a dodaacutevkami součaacutestek pro vyacuterobce ve
viacutece než 35 zemiacutech po celeacutem světě aby zajistila že se zaacutekazniacutekům dostaacutevaacute plneacuteho servisu a
podpory ať už se nachaacutezejiacute kdekoliv [1]
Ciacutelem společnosti je vytvořeniacute kolektivu pracovniacuteků v ČR kteřiacute se již v teorii detekce
kovů orientujiacute a jsou schopni pracovat na probleacutemech a slabyacutech straacutenkaacutech vyacuteroby a podiacutelet se
na vyacutevoji novyacutech detektorů Po dohodě byl vymezen okruh probleacutemů ve kteryacutech by bylo
vhodneacute proveacutest určitaacute zlepšeniacute jak po straacutence technickeacute tak technologickeacute s ohledem na
ekonomickeacute uacutespory a zlepšeniacute vyacuterobniacuteho procesu
V teacuteto praacuteci je uveden popis principu staacutevajiacuteciacuteho zařiacutezeniacute společnosti Loma Systems
sro postup vyšetřovaacuteniacute magnetickeacuteho pole tohoto zařiacutezeniacute a naacutevrh optimalizace z pohledu
zlepšeniacute kvality detekce a stiacuteněniacute elektromagnetickeacuteho pole
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
11
1 Zaacutekladniacute fyzikaacutelniacute principy detektor ů kovu Principy detektorů kovů jsou založeny na využiacutevaacuteniacute specifickyacutech vlastnostiacute kovů
Kovy se od okolniacutech materiaacutelů lišiacute hlavně
bull měrnyacutem elektrickyacutem odporem
bull magnetickyacutemi vlastnostmi
Většina hledanyacutech objektů je energeticky pasivniacute proto je pro jejich detekci potřeba
energii dodaacutevat Dodaacutevanaacute energie je většinou vyzařovaacutena detektorem čaacutestiacute kteraacute maacute funkci
vysiacutelače Vysiacutelanaacute energie může byacutet akustickaacute na tomto principu funguje sonar nebo
elektromagnetickaacute což je princip většiny detektorů od radarů přes průmysloveacute detektory až k
tzv minohledačkaacutem Zde se využiacutevaacute vyacuteše jmenovanyacutech odlišnostiacute ktereacute majiacute vliv na
pohlcenou odraacuteženou a zbytkovou energii kteraacute je detekovanyacutem objektem vyzařovaacutena zpět
nebo jinyacutem způsobem deformuje elektromagnetickeacute pole Množstviacute pohlceneacute energie je daacuteno
matematickyacutem vyacuterazem (11) kteryacute určuje tzv hloubku vniku δ ve ktereacute se přivedenaacute energie
vlivem viacuteřivyacutech proudů sniacutežiacute na polovinu
( )mmicroωρδ
sdotsdot= 2
(11)
kde micro = micro0 micror
Vyacuteraz (11) je třeba uvažovat při řešeniacute energie pohlceneacute nebo odraacuteženeacute z hlediska volby
frekvence vysiacutelaneacute energie neboť
( )12 minussdotsdot= sfπω (12)
Druhou skupinu tvořiacute objekty ktereacute do sveacuteho okoliacute nějakou formou energii vyzařujiacute
Vyzařovanaacute energie může byacutet
bull akustickaacute (lokalizovaacuteniacute polohy ponorek)
bull elektromagnetickaacute (vyzařovaacuteniacute většiny elektrickyacutech zařiacutezeniacute točivyacutech i netočivyacutech
lokalizovaacuteniacute letadel ndash systeacutem TAMARA)
bull tepelnaacute (termovize tepelneacute navaacuteděniacute řiacutezenyacutech střel)
bull gama zaacuteřeniacute (vyhledaacutevaacuteniacute izotopů)
Zvlaacuteštniacutem přiacutepadem je situace kdy hledanyacute objekt i detektor jsou pasivniacute a k detekci je
využiacutevaacutena změna energie z ciziacuteho zdroje Konkreacutetniacutem přiacutepadem je přiacutestroj nazyacutevanyacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
12
magnetometr kteryacute detekuje objekty na zaacutekladě změny intenzity magnetickeacuteho pole země
vyvolaneacute hledanyacutem objektem Deformaci magnetickeacuteho pole země nezpůsobujiacute pouze kovy
ale i jineacute nehomogenity jako jsou jeskyně dutiny nebo remanentniacute magnetickeacute pole [2]
2 Principy aktivniacutech elektromagnetickyacutech detektor ů kovu
Pro detekci jsou obecně využiacutevaacuteny změny sniacutemaneacute veličiny ktereacute jsou způsobeny
hledanyacutem předmětem materiaacutelem Při vyhledaacutevaacuteniacute objektů elektromagnetickyacutem polem se
využiacutevaacute dvou materiaacutelovyacutech vlastnostiacute způsobujiacuteciacute jeho deformaci Zaprveacute je to deformace
pole feromagnetickyacutem materiaacutelem (např permaloy ferit železo) jehož magnetickaacute vodivost
převyšuje vodivost elektrickou a způsobuje soustředěniacute siločar pole do objektu obr 21
Obr 21 Feromagnetickyacute objekt Obr 22 Neferomagnetickyacute objekt
Materiaacutely u kteryacutech převyšuje elektrickaacute vodivost nad magnetickou (např měď hliniacutek)
uplatňujiacute druhyacute princip a tiacutem je deformace původniacuteho pole polem sekundaacuterniacutem Sekundaacuterniacute
pole vznikaacute viacuteřivyacutemi proudy naindukovanyacutemi ve vodiveacutem předmětu vystaveneacutemu původniacutemu
poli Ze zaacutekona o zachovaacuteniacute energie plyne že sekundaacuterniacute pole působiacute proti původniacutemu
Naacutesledkem tohoto jevu dojde k obtečeniacute objektu siločarami původniacuteho vyzařovaneacuteho pole
obr 22 [3]
21 Princip balan čniacutech detektor ů Většina průmyslovyacutech detektorů kovu pracuje na balančniacutem principu podrobnyacute popis
ostatniacutech principů je uveden napřiacuteklad ve [3]
Tento princip je založen na vyvaacuteženyacutech (vybalancovanyacutech) ciacutevkaacutech (IB ndash Induction
Balance) Z toho plyne že hledaciacute sonda je složena z minimaacutelně dvou ciacutevek popřiacutepadě dvou
systeacutemů ciacutevek z nichž jeden je vysiacutelaciacute a druhyacute pracuje jako přijiacutemač (Transmitter Receiver
ndash TR) Tyto detektory byacutevajiacute označovaacuteny TR-IB V přiacutepadě dvou ciacutevek je přijiacutemaciacute ciacutevka
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
13
umiacutestěna vzhledem k vysiacutelaciacute ciacutevce tak že naindukovaneacute napětiacute při nepřiacutetomnosti kovu je
rovno nule tzv uspořaacutedaacuteniacute překryacutevanyacutech ciacutevek tvaru D Stejneacuteho efektu lze dosaacutehnou při
pozici ciacutevek vzaacutejemně pootočenyacutech o 90deg Jestliže je na straně přiacutejmu soustava dvou ciacutevek
umiacutestiacute se vzhledem k vysiacutelaciacute ciacutevce tak že v nepřiacutetomnosti kovu se do ciacutevek indukuje stejně
velkeacute napětiacute ktereacute se mezi sebou odečte Rozdiacutelu obou napětiacute na přijiacutemaciacutech ciacutevkaacutech je roven
nule (obr 23)
Obr 23 Uspořaacutedaacuteniacute systeacutemu ciacutevek Jakaacutekoliv deformace pole vysiacutelaciacute ciacutevky maacute za naacutesledek porušeniacute rovnovaacutehy a na přijiacutemaciacute
straně se objeviacute napětiacute indikujiacuteciacute přiacutetomnost kovu Indukovaneacute napětiacute v přijiacutemaciacute ciacutevce lze
matematicky popsat vztahem (21)
( )ϕω +sdotsdot= tAU sin (21)
kde A amplituda signaacutelu
ω uacutehlovaacute frekvence signaacutelu
φ faacutezovyacute posuv oproti vysiacutelaneacutemu signaacutelu
Pokud se pod ciacutevkami nachaacuteziacute elektricky vodivyacute objekt z neferomagnetickeacuteho
materiaacutelu je pole deformovaacuteno sekundaacuterniacutem polem způsobenyacutem viacuteřivyacutemi proudy ktereacute
působiacute proti poli původniacutemu Pak přijiacutemaneacute napětiacute UPN v přijiacutemaciacute ciacutevce bude miacutet maximaacutelniacute
hodnotu v okamžiku největšiacute změny vysiacutelaneacuteho napětiacute UV V přiacutepadě indikace
feromagnetickeacuteho materiaacutelu je indukovaneacute napětiacute UPF ve faacutezi s vysiacutelaciacutem napětiacutem Protože je
v praxi nemožneacute dosaacutehnout absolutniacuteho vyvaacuteženiacute ciacutevek bude v přijiacutemaciacute ciacutevce vždy nějakeacute
maleacute napětiacute Na obr 24 jsou ideaacutelniacute přijiacutemaneacute signaacutely pro různeacute druhy kontaminantů U
obecnyacutech materiaacutelů se ve skutečnosti uplatňujiacute jak feromagnetickeacute vlastnosti tak vodivostniacute
Z tohoto důvodu bude miacutet napětiacute UP indukovaneacute v přijiacutemaciacute ciacutevce faacutezovyacute posuv oproti
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
14
vysiacutelaneacutemu v intervalu
20π
[2]
Obr 24 Průběhy napětiacute UV ndash vysiacutelaneacute napětiacute UPF ndash ideaacutelniacute přijiacutemaneacute napětiacute (feromagnetickyacute materiaacutel) UPN ndash ideaacutelniacute přijiacutemaneacute napětiacute (neferomagnetickyacute materiaacutel) UP ndash skutečneacute přijiacutemaneacute napětiacute [2]
Existujiacute různeacute možnosti dociacuteleniacute nuloveacuteho klidoveacuteho přenosu mezi ciacutevkami Zaprveacute
prostorovyacutem odděleniacutem kdy osy ciacutevek mezi sebou sviacuterajiacute uacutehel 90deg vysiacutelaciacute ciacutevka je uložena
svisle a přijiacutemaciacute ciacutevka vodorovně obr 25 Tyto detektory byly nazyacutevaacuteny bdquoTwo boxldquo [2]
Obr 25 Princip prostoroveacuteho uspořaacutedaacuteniacute 90deg ciacutevek [2]
V druheacutem přiacutepadě jsou obě ciacutevky uloženy vodorovně ale jejich prostoroveacute uspořaacutedaacuteniacute se voliacute
takoveacute aby byla vzaacutejemnaacute indukčnost nulovaacute Toho je dociacuteleno tiacutem že přijiacutemaciacute ciacutevkou
U (V)
t (s)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
15
prochaacuteziacute stejneacute množstviacute siločar vysiacutelaciacute ciacutevky v jednom i druheacutem směru a tiacutem dochaacuteziacute ke
kompenzaci (vyrušeniacute) jejich uacutečinku obr 26
Obr 26 Princip prostoroveacuteho uspořaacutedaacuteniacute překryacutevajiacuteciacutech se ciacutevek [2]
Společnosti vyraacutebějiacuteciacute průmysloveacute detektory kovů majiacute většinou sveacute specifickeacute uspořaacutedaacuteniacute
ciacutevek
Obr 27 Viacutece ciacutevkoveacute uspořaacutedaacuteniacute detektoru společnosti Ad controls sro a jeho skutečneacute provedeniacute [4]
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
16
Obr 28 Třiacute ciacutevkoveacute uspořaacutedaacuteniacute detektoru společnosti Loma Systems sro
Kvalita detektoru je daacutena předevšiacutem ciacutevkovou soustavou a neměnnostiacute jejiacutech vlastnostiacute a daacutele
volbou pracovniacuteho kmitočtu Špičkou mezi dnešniacutemi detektory jsou zařiacutezeniacute umožňujiacuteciacute
činnost při různyacutech budiacuteciacutech kmitočtech Vyacutehodou těchto systeacutemů je možnost použiacutevat viacutece
zařiacutezeniacute bliacutezko u sebe a hlavně možnost použitiacute různyacutech frekvenciacute pro rozdiacutelneacute produkty s
ohledem na citlivost a kvalitu detekce
3 Zařiacutezeniacute spole čnosti Loma Systems sro Podmiacutenkou k dalšiacute vyacutevojoveacute činnosti je podrobnaacute znalost vyraacuteběnyacutech zařiacutezeniacute a
vyacuterobniacutech technologiiacute v daneacutem podniku
Obr 31 Detektor kovů IQ3 s dotykovyacutem ovlaacutedaacuteniacutem společnosti Loma Systems sro [1]
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
17
31 Obecneacute informace Jsou vyraacuteběny dva typy detektorů ktereacute pracujiacute na stejneacutem principu ale lišiacute se
vysiacutelaciacutemi průběhy budiacuteciacuteho napětiacute a možnostiacute pracovat na různyacutech kmitočtech
Staršiacute model označenyacute jako IQ2 je vyraacuteběnyacute ve třech variantaacutech jako farmaceutickyacute
detektor detektor s volnyacutem propadem produktu nebo detektor s produktem dopravovanyacutem
potrubiacutem Posledniacute dva jmenovaneacute jsou takeacute vyraacuteběny na zaacutekladě technologie IQ3 Tento
systeacutem umožňuje činnost detektoru na různyacutech budiacuteciacutech kmitočtech a je použit hlavně u
dopravniacutekovyacutech detektorů Detektor IQ2 pracuje na neměnneacute frekvenci 1 MHz
Dopravniacutekoveacute detektory jsou vyraacuteběny ve dvou variantaacutech normaacutelniacute (detekčniacute otvor
maacute stěny opatřeneacute vrstvou modreacuteho epoxidu) a detektory pro extreacutemně nepřiacutezniveacute podmiacutenky
(stěny detekčniacuteho otvoru jsou pokryty odolnyacutem plastem) ktereacute odolaacutevajiacute i vysokotlakeacutemu
vodniacutemu čištěniacute Obě varianty jsou vhodneacute i pro použitiacute v potravinaacuteřskeacutem průmyslu
Všechny detektory jsou schopny pracovat při siacuteťoveacutem napětiacute 110115200220230 V
50 nebo 60 Hz 1f 380400 V 5060 Hz 3f a majiacute stupeň krytiacute IP 69K což umožňuje uacutedržbu
vysokotlakyacutemi vodniacutemi čističi Ovlaacutedaacuteniacute a komunikace s detektorem je zajištěna LCD
displejem s tlačiacutetky nebo displejem dotykovyacutem Každyacute detektor je vybaven releacuteovyacutemi
vyacutestupy jimiž je možno ovlaacutedat chod dopravniacuteku vyřazovaciacute systeacutem signalizačniacute lampy či
klakson
Detektor jako takovyacute se sklaacutedaacute z jedneacute čaacutesti kde je jak samotnyacute detekčniacute otvor tak i
veškeraacute elektronika Detekčniacute otvor tvořiacute jaacutedro z tvrzeneacuteho papiacuteru (Tufnol) do ktereacuteho jsou
vlepeny vodiče ciacutevek Stěny detekčniacuteho otvoru jsou opatřeny modryacutem epoxidem nebo biacutelyacutem
polyethylenem (Acetal) kteryacute maacute většiacute mechanickou odolnost Celeacute zařiacutezeniacute je uzavřeno v
obalu z nerezoveacute oceli ANSI 304 (DIN 14301) tloušťky 3 mm Prostor mezi jaacutedrem a
nerezovyacutem obalem je vyplňovaacuten pěnivyacutem epoxidem
Elektronika detektoru obsahuje tři desky plošnyacutech spojů a ovlaacutedaciacute displej Hlavniacute
čaacutestiacute je řiacutediacuteciacute deska (Control board) na ktereacute se nachaacuteziacute blok napaacutejeciacuteho zdroje
vyhodnocovaciacute obvody paměti AD převodniacuteky signaacutelu a vstupniacutevyacutestupniacute obvody Dalšiacutemi
čaacutestmi jsou vysiacutelaciacute deska (Transmitter board) a deska přijiacutemače (Receiver board)
32 Vysiacutelaciacute čaacutest - Tx Postupneacute upouštěniacute od vyacuteroby zastaraleacute verze detektorů IQ2 je důvodem pro zaměřeniacute
teacuteto praacutece na detektory IQ3 Systeacutem IQ3 je multifrekvenčniacute založenyacute na balančniacutem principu
Oproti standardniacutem balančniacutem detektorům je zde vysiacutelaciacute ciacutevka buzena nespojityacutem signaacutelem
Vyacutehodou použitiacute tohoto signaacutelu je snadnaacute změna frekvence možnost řiacutezeniacute vysiacutelaciacuteho vyacutekonu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
18
a celkoveacute zvyacutešeniacute kvality detekce neboť rychlyacutem změnaacutem budiacuteciacuteho proudu odpoviacutedaacute velkaacute
změna magnetickeacuteho indukčniacuteho toku Dle Faradayova indukčniacuteho zaacutekona je velikost
indukovaneacuteho napětiacute daacutena rychlostiacute změny magnetickeacuteho indukčniacuteho toku (31)
tU i ∆
∆Φminus= (31)
Činnost Tx boardu (vysiacutelaciacute desky) je řiacutezena mikrokontrolerem kteryacute komunikuje s
Control boardem seacuteriovyacutem rozhraniacutem Deska umožňuje kontrolu napaacutejeniacute vysiacutelaciacuteho proudu
teploty a přiacutepadneacute přerušeniacute Tx vinutiacute (vysiacutelaciacute ciacutevky) Mikrokontroler řiacutediacute jak vysiacutelaciacute
průběh tak vyhodnocovaciacute obvody ktereacute jsou na Rx boardu (přijiacutemaciacute deska)
Na Tx board jsou přivaacuteděna napětiacute 12 V -12 V proti zemi použiacutevanaacute k buzeniacute Tx
vinutiacute Z kladneacuteho napětiacute se daacutele ziacuteskaacutevaacute napětiacute 33 V a 18 V pro napaacutejeniacute ostatniacutech obvodů
Budiacuteciacute signaacutel je kvůli požadovaneacutemu vysokeacutemu pulsniacutemu vyacutekonu odebiacuteraacuten z kondenzaacutetoroveacute
baterie Velikost odebiacuteraneacuteho proudu je měřena operačniacutem zesilovačem zapojenyacutem jako
převodniacutek IU
Vyacutekonovaacute čaacutest Tx boardu je tvořena čtyřmi MOSFET tranzistory řiacutezenyacutemi
mikrokontrolerem Vyacutekonoveacute tranzistory T1 až T4 jsou zapojeny dle obr 32
Obr 32 Zapojeniacute koncoveacute čaacutesti vysiacutelače
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
19
Vysiacutelaciacute ciacutevka je tvořena pouze jedniacutem zaacutevitem Cu draacutetu ϕ 1 mm jeho indukčnost a kapacita
je vzhledem k jeho vodivosti zanedbatelnaacute a při nižšiacutech frekvenciacutech se tedy chovaacute jako zkrat
Pokud je časovyacute posuv mezi U1 a U2 roven nule pak napětiacute UTX je takeacute rovno nule a Tx
ciacutevkou neteče žaacutednyacute proud obr 33
-12
-8
-4
0
4
8
12
16U1 (V)
-16
-12
-8
-4
0
4
8
12
16
000E+00 100E-05 200E-05 300E-05 400E-05 500E-05 600E-05
čas (s)
U2 (V)
Obr 331 Průběhy signaacutelů U1 a U2 přivaacuteděnyacutech na vyacutevody Tx vinutiacute V detektoru by se dala naměřit pouze elektrickaacute složka pole odpoviacutedajiacuteciacute původniacutemu signaacutelu
Pro detekci kovu je však důležiteacute elektromagnetickeacute pole kteraacute vznikaacute průchodem proudu
vinutiacutem Proudoveacuteho impulsu je dosaženo časovyacutem posunem mezi napětiacutemi U1 a U2
přivaacuteděnyacutemi na svorky Tx vinutiacute V tomto přiacutepadě potečou zkratoveacute proudoveacute pulsy
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
20
odpoviacutedajiacuteciacute připojeneacutemu napětiacute UTX viz obr 34 Vyacutekon detektoru je tedy řiacutezen časovyacutem
posunem mezi průběhy napětiacute U1 a U2 Tomuto časoveacutemu posuvu pak odpoviacutedaacute i velikost
odebiacuteraneacuteho proudu do Tx vinutiacute
-12
-8
-4
0
4
8
12
16U1 (V)
-12
-8
-4
0
4
8
12
16U2 (V)
000E+00 100E-05 200E-05 300E-05 400E-05 500E-05 600E-05
Čas (s)
I (A)
Obr 34 Časově posunutaacute napětiacute U1 U2 přivaacuteděnaacute na vyacutevody Tx vinutiacute a průběh proudu I v Tx vinutiacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
21
33 Přijiacutemaciacute čaacutest - Rx Zaacutekladem přijiacutemaciacute čaacutesti je soustava složenaacute ze dvou paralelně spojenyacutech Rx ciacutevek
podle obr 35 každaacute se dvěma zaacutevity U tohoto uspořaacutedaacuteniacute hraje důležitou roli smysl vinutiacute
Rx ciacutevek (označeniacute počaacutetku a konce vinutiacute) a jejich přesnaacute poloha Tx musiacute prochaacutezet přesně
v jedneacute polovině vzdaacutelenosti l
Obr 35 Geometrickeacute uspořaacutedaacuteniacute je voleno tak že pokud neprochaacuteziacute detektorem kontaminant napětiacute
indukovaneacute napaacutejenou ciacutevkou Tx do Rx ciacutevek je minimaacutelniacute
Jak bylo řečeno v kapitole 32 pro detekci kovu je podstatneacute elektromagnetickeacute pole
Elektrickeacute pole je odstraněno na primaacuterniacutem vinutiacute vstupniacuteho transformaacutetoru TR s dvojityacutem
primaacuterniacutem vinutiacutem zapojenyacutem proti sobě v poměru k sekundaacuterniacutemu vinutiacute 1+130 umiacutestěnyacutem
na Rx boardu Na obraacutezku 36 je zapojeniacute vstupniacuteho obvodu Rx boardu Elektrickaacute složka
pole maacute vůči zemi na obou vyacutevodech Rx ciacutevek stejnyacute průběh Primaacuterniacute vinutiacute TR maacute
vyvedenyacute střed na zem čiacutemž se elektrickaacute složka pole uzemniacute (teče proud) Protože jsou
Rx1 ciacutevka
Rx2 ciacutevka
Tx ciacutevka
l
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
22
průběhy na obou vyacutevodech stejneacute magnetickeacute toky v TR vyvolaneacute proudem působiacute proti sobě
a na sekundaacuterniacute vinutiacute se neindukuje žaacutedneacute napětiacute Dojde-li k narušeniacute magnetickeacuteho pole
uvnitř detekčniacuteho prostoru vznikaacute rozdiacutel naindukovaneacuteho napětiacute v leveacutem a praveacutem vodiči Rx
ciacutevky Tento rozdiacutel napětiacute maacute za naacutesledek tok proudu kteryacute se uzaviacuteraacute přes primaacuterniacute vinutiacute
TR1 a indukuje napětiacute na sekundaacuterniacute straně Toto napětiacute je daacutele zpracovaacutevaacuteno
Obr 36 Vstupniacute obvod Rx boardu
34 Princip vyhodnocovaacuteniacute Signaacutel na sekundaacuterniacutem vinutiacute transformaacutetoru TR je zpracovaacutevaacuten blokem obvodů pro
uacutepravu signaacutelu Ten obsahuje aktivniacute filtr a integračniacute člen s niacutezko-šumovyacutem operačniacutem
zesilovačem Za integračniacutem členem je měřiciacute bod kteryacute je využit při oživovaacuteniacute detektorů
Napětiacute Ub (balance signal) v tomto bodě se zobrazuje na osciloskopu a jeho maximaacutelniacute
hodnota by neměla přesaacutehnout 6 V špička - špička Čiacutem je rozkmit toho napětiacute nižšiacute tiacutem lze
dosaacutehnout vyššiacute citlivosti detektoru (kap 35 Vyvažovaacuteniacute detektoru) Nuloveacuteho rozkmitu
nelze dosaacutehnout mimo jineacute kvůli vyacuterobniacutem toleranciacutem zařiacutezeniacute a nehomogenitaacutem Citlivost
elektronickyacutech čaacutestiacute je velmi vysokaacute a uplatňujiacute se rušiveacute vlivy při jejich činnosti (vliv
teploty mechanickeacute chvěniacute) Napětiacute Ub odpoviacutedaacute vyrovnaacutevaciacutemu proudu v Rx ciacutevkaacutech
Přiacuteklad jeho průběhu bez kontaminantu je na obr 37
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
23
Obr 37 Přiacuteklad průběhu napětiacute Ub
Napětiacute Ub je přivaacuteděno na dva samostatneacute elektronickeacute obvody (řiacutezeneacute usměrňovače)
ovlaacutedaneacute řiacutediacuteciacutemi napětiacutemi z mikrokontroleru (na Tx boardu) Dvě řiacutediacuteciacute napětiacute jednoho
usměrňovače jsou vůči sobě o π posunuty a zaacuteroveň jsou posunuty o π2 proti dvěma řiacutediacuteciacutem
napětiacutem druheacuteho usměrňovače Vyacutesledkem jsou dva napěťoveacute signaacutely (P a Q) ktereacute jsou daacutele
zpracovaacutevaacuteny (integrace zesiacuteleniacute) s možnostiacute ručniacute volby zesiacuteleniacute ve čtyřech stupniacutech
(ovlaacutedaacuteniacute citlivosti detektoru) Tyto signaacutely jsou již nositelem informace a jsou na Control
boardu převedeny do digitaacutelniacute podoby Takto upraveneacute signaacutely jsou vyhodnocovaacuteny
algoritmy v hlavniacutem mikrokontroleru
35 Vyvažovaacuteniacute detektoru Zaacutekladem kvalitniacute a stabilniacute detekce je ciacutevkovyacute systeacutem Aby se dosaacutehlo co nejlepšiacuteho
vyvaacuteženiacute ciacutevek je nutnaacute přesnaacute bytelnaacute a rozměrově staacutelaacute konstrukce Detektory společnosti
Loma Systems sro majiacute ciacutevky uloženeacute ve vyfreacutezovanyacutech draacutežkaacutech a zajištěneacute epoxidovyacutem
lepidlem I přes to je detektor po osazeniacute elektronikou značně nevyvaacuteženyacute balančniacute napětiacute Ub
překračuje požadovanou hodnotu 6 V špička - špička natolik že může dojiacutet i k saturaci
elektronickyacutech obvodů Je tedy nutneacute ciacutevkovyacute systeacutem vyvaacutežit (vybalancovat)
Nejprve se provede hrubeacute laděniacute spočiacutevajiacuteciacute v tvarovaacuteniacute maleacute smyčky Tx vinutiacute v čele
detektoru obr 38
0 T2 T
25 V Ub
-25 V
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
24
Obr 38 Vyvažovaciacute očko na Tx vinutiacute a vlepenyacute pliacutešek uvnitř detekčniacuteho otvoru
Tato smyčka plniacute funkci kompenzačniacuteho vinutiacute po natvarovaacuteniacute je očko zaliteacute epoxidovyacutem
lepidlem U detektorů s vnitřniacute uacutepravou detekčniacuteho otvoru modryacutem epoxidem se do
detekčniacuteho otvoru daacutele vlepujiacute vyvažovaciacute pliacutešky různyacutech tvarů a velikostiacute (od 1 cm2 do 4
cm2) obr 38 ktereacute se naacutesledně zalijiacute do roviny modryacutem epoxidem Jako materiaacutel
vyvažovaciacutech pliacutešků je použita nerezovaacute ocel ANSI 304 (DIN 14301) tloušťky 2 mm Druhyacute
typ detektorů s odolnyacutem plastovyacutem povrchem (typ US) neumožňuje vlepovaacuteniacute pliacutešků
dovnitř detekčniacuteho otvoru Balancovaacuteniacute se tedy provaacutediacute přesnějšiacutem tvarovaacuteniacutem Tx očka
popřiacutepadě vlepovaacuteniacutem pliacutešků v jeho okoliacute
Pro jemneacute doladěniacute se u obou těchto variant (US typ a klasickyacute s modrou epoxidovou
vyacuteplniacute detekčniacuteho otvoru) osazujiacute balančniacute moduly obr 39 ktereacute na plastoveacutem otočneacutem diacutelu
majiacute tuning block o rozměrech cca 05 cm2 z 5 mm tlusteacuteho nerezu Oba balančniacute moduly
umožňujiacute pohyb tuning blocku v okoliacute vyvažovaciacuteho očka
Obr 39 Balančniacute moduly i s kryciacutemi plechy vlevo US vpravo klasickyacute
Tyto moduly nejsou přiacuteliš efektivniacute a sloužiacute pouze k miacuterneacutemu vyvaacuteženiacute Použiacutevajiacute se dva typy
Tuning block
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
25
těchto modulů podle varianty vnitřniacute vyacuteplně detektoru (US typ a klasickyacute s modrou
epoxidovou vyacuteplniacute detekčniacuteho otvoru) Jedniacutem z přijatyacutech naacutevrhů pro vylepšeniacute detektorů s
modrou epoxidovou vyacuteplniacute je použitiacute stejneacuteho balančniacuteho modulu jako u detektoru typu US
Vyacuterobniacute cena US balančniacuteho modulu je podstatně nižšiacute a umožňuje změnu polohy
vyvažovaciacuteho diacutelu nejen po obvodu kružnice ale i změnu vzdaacutelenosti mezi rovinami očka a
tuning bloku Změna teacuteto vzdaacutelenosti se využije v přiacutepadě kdy po osazeniacute detektoru s modrou
epoxidovou pryskyřiciacute balančniacutem modulem dojde ke zhoršeniacute vyvaacuteženiacute ktereacute pouhyacutem
natočeniacutem po kružnici nelze vykompenzovat Použiacutevaacuteniacutem pouze balančniacuteho modulu typu
US by se dosaacutehlo sniacuteženiacute počtu součaacutestek ve vyacuterobniacutem procesu sniacuteženiacute naacutekladů na vyacuterobu
detektoru s modrou epoxidovou vyacuteplniacute detekčniacuteho prostoru a odstranil by se i probleacutem
vznikajiacuteciacute při osazeniacute těchto detektorů balančniacutemi moduly
Dalšiacute naacutevrh se tyacutekal materiaacutelu použiteacuteho na tuning block Snahou bylo zvyacutešit vliv
tuning bloku natolik aby bylo možneacute vynechat kompenzačniacute očko čiacutemž by došlo k urychleniacute
laděniacute Byly testovaacuteny materiaacutely FeNi47ln5 tloušťky 03 mm a FeNi42 tloušťky 04 mm Byl
zvolen tvar kteryacute umožňoval použitiacute staacutevajiacuteciacutech US modulů obr 310 Vliv tuning blocků
se sice zvyacutešil nicmeacuteně ne natolik aby mohlo byacutet vyvažovaciacute očko zcela vynechaacuteno
Obr 310 Prototypy tuning blocků z novyacutech materiaacutelů
36 Vyacutestupniacute kontrola Před samotnou expediciacute detektoru je nutneacute proveacutest kontrolu detekce Kvalita detekce
je ověřovaacutena třemi typy kontaminantů neželeznyacute - NONFE (mosaz) železnyacute - FE (chromovaacute
ocel) a nerezovyacute - SS (ANSI 304) K tomu jsou určeny přiacutepravky na obr 311 a 312 Jednaacute
se o kuličky definovanyacutech průměrů ktereacute jsou zaliteacute v plastovyacutech tyčinkaacutech opatřenyacutech
rozměrovou specifikaciacute kontaminantu Barva tyček odlišuje použityacute typ kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
26
Obr 311 Testovaciacute vzorky pro dopravniacutekoveacute detektory
Obr 312 Testovaciacute vzorky pro farmaceutickeacute detektory
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
27
4 Optimalizace a stiacuten ěniacute detektoru Jedniacutem z bodů teacuteto praacutece je navrženiacute optimalizaciacute průmysloveacuteho detektoru kovu z
hlediska kvality detekce a vyšetřeniacute elektromagnetickeacuteho pole s ohledem na rušiveacute vlivy Z
počaacutetku byly provaacuteděny pokusy se stiacuteněniacutem ciacutevek s ohledem na rušeniacute vnějšiacutem
elektromagnetickyacutem polem Prvniacute uacutevahy vedly k použitiacute stiacuteniacuteciacuteho materiaacutelu s velkou
permeabilitou kteryacute by do sebe soustředil většiacute množstviacute indukčniacutech čar unikajiacuteciacutech do okoliacute
a tiacutem omezil vnějšiacute rušeniacute Na zaacutekladě teacuteto uacutevahy byly testovaacuteny dva materiaacutely FeNi47ln5
tloušťky 03 mm a FeNi42 tloušťky 04 mm ktereacute mohou dosahovat relativniacute permeability až
micror_12106 [5] Těmito pokusy se sice sniacutežilo množstviacute indukčniacutech čar magnetickeacuteho pole
unikajiacuteciacuteho z detektoru ale vlivem přiacuteliš velkeacute permeability bylo ovlivněno i pole uvnitř
detekčniacuteho prostoru kde došlo ke sniacuteženiacute citlivosti Tento naacutevrh měl dalšiacute negativniacute faktory
jako je vysokaacute cena použityacutech materiaacutelů a omezeneacute vyacuterobniacute možnosti nedostačujiacuteciacute šiacuteřkou
paacutesů což by vedlo ke sklaacutedaacuteniacute plechů vedle sebe a tiacutem ke vzniku nehomogenit
Aby byly optimalizace efektivniacute je třeba znaacutet rozloženiacute elektromagnetickeacuteho pole
uvnitř detektoru a vlivy ktereacute na něj působiacute Proto bylo přistoupeno k využitiacute počiacutetačoveacuteho
softwaru Ansys Jednaacute se o profesionaacutelniacute software založenyacute na metodě konečnyacutech prvků Je
určen předevšiacutem pro simulace mechanickeacuteho namaacutehaacuteniacute ale umožňuje i řešeniacute teplotniacutech
elektromagnetickyacutech a sdruženyacutech poliacute [6] Ansys byl vybraacuten předevšiacutem pro možnost řešeniacute i
3D probleacutemů V teacuteto praacuteci bylo z důvodů vyacutepočetniacute naacuteročnosti a velkeacuteho množstviacute
jednotlivyacutech vyacutepočtů přistoupeno k řešeniacute probleacutemu pouze ve dvourozměrneacutem prostoru V
tomto přiacutepadě je řešeno nestacionaacuterniacute magnetickeacute pole ktereacute popisuje rovnice (41) [7]
( ) extr JArotdt
dABArotrot =timesminus+
minus γυγmicro1
(41)
kde
BArot = (42)
A magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel
micro permeabilita
Br remanentniacute indukce
B magnetickaacute indukce
γ měrnaacute elektrickaacute vodivost
ν rychlost pohybu tělesa v magnetickeacutem poli
Jext vektor vnějšiacute proudoveacute hustoty
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
28
41 Vyšet řovaacuteniacute vlivu pozice Rx vinutiacute Nejprve byly provedeny simulace staacutevajiacuteciacuteho zařiacutezeniacute o rozměrech detekčniacuteho otvoru
150 mm x 350 mm Zaacutekladniacute geometrie probleacutemu je na obraacutezku 41 Pro řešeniacute zaacutekladniacuteho
probleacutemu by bylo možneacute použiacutet symetrii modelu pokud však model doplniacuteme o kontaminant
možnost teacuteto symetrie odpadaacute Byly provedeny tři seacuterie vyacutepočtů ktereacute se lišily materiaacutelem
kontaminantu Každaacute seacuterie se sklaacutedala z 24 samostatnyacutech vyacutepočtů ve kteryacutech se postupně
měnila pozice kontaminantu tak jako je tomu při skutečneacute situaci na dopravniacutem paacutesu
Použityacutem APDL skriptem by bylo možneacute řešit i průchody kontaminantu v různyacutech vyacuteškaacutech
detekčniacuteho otvoru Pro potřeby těchto vyacutepočtů byl průchod zvolen středem jelikož je zde
citlivost detektoru nejnižšiacute Nutno poukaacutezat na skutečnost že kontaminant reprezentovanyacute
kružniciacute v řezu detektoru nelze považovat za kulovyacute nyacutebrž za vodič kruhoveacuteho průřezu
stejneacute deacutelky jako Tx respektive Rx vinutiacute Rozmeziacute pohybu kontaminantu bylo od -230 mm
do 230 mm vůči Tx vinutiacute s krokem 20 mm Obdeacutelniacuteky v okoliacute Tx vinutiacute byly vytvořeny za
uacutečelem možnosti zjemněniacute vyacutepočetniacute siacutetě v prostoru Tx a Rx vinutiacute Na obraacutezku 41 nejsou
namodelovaacuteny Rx ciacutevky neboť hodnota naindukovaneacuteho napětiacute byla ziacuteskaacutevaacutena v pěti
různyacutech vyacuteškovyacutech poziciacutech a bylo hodnoceno indukovaneacute napětiacute Ui
Obr 41 Zaacutekladniacute geometrie
nerezovyacute kryt
vodiče Tx vinutiacute
kontaminant
obdeacutelniacuteky vzduchoveacuteho okoliacute s jemnějšiacute vyacutepočetniacute siacutetiacute střed souřadneacuteho
systeacutemu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
29
411 Preprocessing - p řiacuteprava skriptu Nejprve bylo nutneacute zjistit geometrickeacute rozměry a materiaacuteloveacute konstanty zkoumaneacuteho
detektoru Geometrickeacute rozměry byly ziacuteskaacuteny z databaacuteze Solidworks modelů společnosti
Loma Systems sro V kapitole 71 je uacuteryvek APDL skriptu pro tvorbu geometrie
Materiaacutely použiteacute v modelu jsou vzduch vodiče Tx vinutiacute nerezovyacute obal detektoru a
materiaacutely kontaminantů V raacutemci zjednodušeniacute modelu nebyly uvažovaacuteny PVC izolace Tx
vinutiacute samotneacute Tufneloveacute jaacutedro a materiaacutel s niacutemž je prostor mezi jaacutedrem a nerezovyacutem
krytem vyplněn neboť tyto materiaacutely vykazujiacute z pohledu šiacuteřeniacute elektromagnetickeacuteho pole
stejneacute vlastnosti jako vzduch Konkreacutetniacute hodnoty materiaacutelovyacutech konstant viz tabulka 41
odpor Tx vinutiacute nebyl uvažovaacuten neboť jeho plochy byly zatiacuteženy definovanou proudovou
hustotou tudiacutež neniacute možneacute uvažovat přiacutepadně naindukovaneacute viacuteřiveacute proudy Daacutele bylo nutneacute
zvolit a spraacutevně nastavit použiteacute elementy modelu
Tab 41 Materiaacuteloveacute vlastnosti
měrnaacute
permeabilita [-] měrnyacute elektrickyacute
odpor [Ωm]
vzduch 1 -
Tx vinutiacute 1 -
nerezovaacute ocel (ANSI 304 DIN 14301)
1008 [10] 72010-7
neželeznyacute kontaminant (mosaz)
1 75010-8
železnyacute kontaminant (chromovaacute ocel)
400 12010-7
nerezovyacute kontaminant (ANSI 304 DIN 14301) 1008 72010-7
Jako elementy daneacuteho modelu byly zvoleny elementy PLANE53 určeneacute pro řešeniacute
magnetickeacuteho pole Jednaacute se o osmi uzloveacute elementy ktereacute mohou miacutet až čtyři stupně
volnosti na uzel Stupně volnosti mohou byacutet magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel (AZ) časově
integrovanyacute elektrickyacute skalaacuterniacute potenciaacutel (VOLT) elektrickyacute proud (CURR) a
elektromotorickaacute siacutela (EMF) [6] Geometrie elementu na obr 42
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
30
Obr 42 Geometrie elementu PLANE53 [6]
Uacuteryvek koacutedu v kapitole 72 obsahuje definovaacuteniacute materiaacutelovyacutech vlastnostiacute definovaacuteniacute
elementů a jejich nastaveniacute V dalšiacute časti bylo nutneacute jednotliveacute materiaacutely a elementy přiřadit
danyacutem plochaacutem
Daacutele bylo zapotřebiacute nastavit atributy pro automatickeacute siacuteťovaacuteniacute oblasti Je nutneacute aby v
tenkyacutech a malyacutech plochaacutech byla vyššiacute hustota siacutetě než na velkyacutech plochaacutech kde postačuje siacuteť
řidšiacute Velmi důležitaacute je kompatibilita siacutetě proto byla v okoliacute Tx vodičů vytvořena
obdeacutelniacutekovaacute oblast s hustšiacute siacutetiacute viz uacuteryvek koacutedu v přiacuteloze 73
Obr 43 Detailniacute pohled na siacuteť elementů
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
31
V posledniacute čaacutesti preprocessingu byla definovaacutena Dirichletova okrajovaacute podmiacutenka
udaacutevajiacuteciacute magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel roven nule na vnějšiacute hrany vzduchoveacuteho okoliacute a
průběh budiacuteciacute proudoveacute hustoty v Tx vodičiacutech V horniacutem a dolniacutem vodiči měly toky opačnyacute
smysl proto bylo nutneacute vytvořit dva vektory hodnot J1 (obr 44) a mJ1 V posledniacute řadě bylo
provedeno přiřazeniacute průběhů k plochaacutem viz kapitola 74
Obr 44 Průběh proudoveacute hustoty v ploše Tx vodiče
Ansys byl do Solution modu přepnut přiacutekazem SOL kde se provedlo nastaveniacute
analyacutezy a byl spuštěn vyacutepočet viz kapitola 76
412 Postprocessing - ziacuteskaacutevaacuteniacute vyacutesledk ů Ciacutelem teacuteto čaacutesti bylo zjištěniacute průběhů naindukovanyacutech napětiacute Ui v zaacutevislosti na čase
pro různeacute vyacuteškoveacute pozice přijiacutemaciacutech ciacutevek Rx Pro indukovaneacute napětiacute platiacute vztah
( )Vndt
dU i sdotΦminus= (43)
kde
( )TdxBlx
x
Yint sdotsdot=Φ2
1
(44)
n počet zaacutevitů Rx vinutiacute
l deacutelka Rx vinutiacute ve směru osy Z
x1 a x2 šiacuteřka Rx vinutiacute ve směru osy X
BY složka magnetickeacute indukce v ose Y
Zadaacuteniacutem souřadnic dvou bodů se nadefinovala uacutesečka (cesta) na kterou byly s určityacutem
J (Am-2)
kroky vyacutepočtu (-)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
32
krokem zaznamenaacuteny hodnoty magnetickeacute indukce BY Průběh BY v zaacutevislosti na souřadnici X
je na obr 45
Obr 45 Průběh magnetickeacute indukce BY v zaacutevislosti na souřadnici X
Obr 46 Průběh magnetickeacuteho toku Φ v zaacutevislosti na souřadnici X
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
33
Integrovaacuteniacutem průběhu BY se ziacuteskal průběh magnetickeacuteho indukčniacuteho toku Φ obr 46
Magnetickyacute indukčniacute tok Φ je roven určiteacutemu integraacutelu (rovnice 44) průběhu BY obr 45 Z
toho vyplyacutevaacute že magnetickyacute indukčniacute tok je roven posledniacute hodnotě průběhu na obr 46
Tato hodnota se vynaacutesobila deacutelkou Rx vinutiacute Postup vyacutepočtu se opakoval pro všechny pozice
Rx vinutiacute a to v každeacutem kroku transientniacute analyacutezy Tiacutem se ziacuteskala zaacutevislost magnetickeacuteho
indukčniacuteho toku Φ na čase t V programu MS Excel se vynaacutesobil tok počtem zaacutevitů Rx vinutiacute
a byla provedena derivace podle času (rovnice 43) Takto byly zpracovaacuteny vyacutesledky pro
všechny pozice kontaminantu vůči Tx vinutiacute APDL skript pro ziacuteskaacutevaacuteniacute hodnot viz kapitola
76 a v kapitole 77 je vyacutepis makra ktereacute uklaacutedaacute hodnoty do souboru
413 Hodnoceniacute vyacutesledk ů Vypočteneacute hodnoty Ui ve všech pěti vyacuteškovyacutech poziciacutech hrx byly vyneseny do grafů v
zaacutevislosti na čase Pokud se vynesou do jednoho grafu průběhy indukovanyacutech napětiacute pro
každou pozici kontaminantu v daneacute vyacutešce lze sledovat odezvu indukovaneacuteho napětiacute na
polohu kontaminantu Jelikož byly provedeny tři seacuterie vyacutepočtů s různyacutemi kontaminanty lze
porovnat i tvary přijiacutemanyacutech signaacutelu pro jednotliveacute materiaacutely Ciacutelem teacuteto čaacutesti je porovnat
signaacutely ziacuteskaacutevaneacute v různyacutech vyacuteškovyacutech polohaacutech Rx vinutiacute a vybrat nejvhodnějšiacute signaacutel pro
detekci
Na naacutesledujiacuteciacutech grafech jsou znaacutezorněny napěťoveacute průběhy během jedneacute periody v
zaacutevislosti na poloze kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
34
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 47 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 48 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
35
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 49 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 410 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
36
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 411 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 5)
Na obraacutezciacutech 47 až 411 jsou zobrazeny průběhy odpoviacutedajiacuteciacute průchodu železneacuteho
kontaminantu s relativniacute permeablitou 400 a měrnyacutem elektrickyacutem odporem 10210-7 Ωm Na
průběziacutech 47 48 a 411 lze pozorovat sice nižšiacute hodnotu signaacutelu ale celkovaacute deformace
během průchodu kontaminantu je většiacute
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 412 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
37
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 413 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 414 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
38
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 415 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 416 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce5)
Na obraacutezciacutech 412 až 416 jsou zobrazeneacute průběhy odpoviacutedajiacuteciacute průchodu kontaminantu z
nerezu ANSI 304 s relativniacute permeablitou 1008 a měrnyacutem elektrickyacutem odporem 7210-7
Ωm Při porovnaacuteniacute s předchoziacutem kontaminantem je změna signaacutelu nižšiacute což odpoviacutedaacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
39
předpokladům o obtiacutežnějšiacute detekci nerezovyacutech kontaminantů
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 417 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 418 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
40
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 419 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 420 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
41
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 421 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 5)
Na obraacutezciacutech 417 až 421 jsou zobrazeny průběhy odpoviacutedajiacuteciacute neželezneacutemu
kontaminantu (mědi) s parametry relativniacute permeablita 1 a měrnyacute elektrickyacute odpor 7510-8
Ωm Průběh signaacutelu je velmi podobnyacute signaacutelům nerezoveacuteho kontaminantu
Porovnaacuteniacutem všech grafů (obr 47 - obr 422) je obecně vidět že u průběhů ve vyacutešce
3 a 4 je zisk signaacutelu pro všechny modelovaneacute kontaminanty největšiacute Dochaacuteziacute zde ale ke
změně amplitudy pouze v jednom smyslu což z hlediska vyhodnocovaciacutech algoritmů zlepšeniacute
detekce vylučuje Naproti tomu je u signaacutelu ve vyacutešce 5 znatelně vyššiacute amplituda než v
použiacutevaneacute vyacutešce 2 Na zaacutekladě tohoto zjištěniacute bude zhotoven prototyp detektoru za uacutečelem
ověřeniacute teoretickyacutech vyacutesledků
Na obraacutezku 422 je ukaacutezka grafickeacuteho vyacutestupu zobrazujiacuteciacuteho vektory proudoveacute
hustoty naindukovaneacute v nerezoveacutem krytu a v kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
42
Obr 422 Vektory proudovyacutech hustot naindukovanyacutech do kontaminantu a nerezoveacuteho krytu
Obraacutezek 423 zobrazuje kontury magnetickeacuteho pole ve stejneacutem časoveacutem kroku jako obr
422 Pole ktereacute je konturami zobrazeno je tvořeno praacutevě proudovou hustotou obr 422 Je
zde možneacute pozorovat jak se pole deformuje přiacutetomnyacutem kontaminantem
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
43
Obr 423 Kontury magnetickeacuteho vektoroveacuteho potenciaacutelu s viditelnou deformaciacute pole způsobenou
feromagnetickyacutem kontaminantem
42 Vyšet řovaacuteniacute množstviacute vyza řovaneacute energie V teacuteto čaacutesti se vychaacutezelo z předpokladu že intenzita elektromagnetickeacuteho pole uvnitř
detektoru je mnohem většiacute než elektromagnetickyacute šum kteryacute do detektoru vnikaacute z okoliacute
Proto lze předpoklaacutedat že rušeniacute bude způsobeno předevšiacutem deformaciacute vlastniacuteho
vyzařovaneacuteho pole v bliacutezkeacutem okoliacute detektoru To vede ke snaze snižovat množstviacute vlastniacuteho
vyzaacuteřeneacuteho pole ven z detektoru aby nemohlo byacutet deformovaacuteno okolniacutemi předměty
421 Řešeniacute probleacutemu Bylo porovnaacuteno pět variant detektorů bez průchodu kontaminantu Každaacute varianta se
řešila jedniacutem vyacutepočtem z čehož plyne malaacute časovaacute naacuteročnost a proto byly probleacutemy řešeny
bez využitiacute symetrie Prvniacute byl staacutevajiacuteciacute detektor o tloušťce kryciacuteho nerezoveacuteho plechu 3 mm
druhyacute byl stejneacute geometrie ale za použitiacute silnějšiacuteho 5 mm tlusteacuteho nerezu Třetiacute typ měl
tloušťku 3 mm ale na horniacute a dolniacute stěně bylo přidaacuteno dalšiacute stiacuteněniacute z nerezu ve tvaru T (obr
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
44
426) Posledniacute dva naacutevrhy měly pravouacutehlyacute tvar krytu celkově menšiacutech rozměrů z nichž jeden
byl jednoduchyacute o tloušťce 3 mm (obr 427) a druhyacute měl shora a zdola dvojiteacute dno z nerezu
tloušťky 3 mm (obr_428) Touto metodou by se dalo porovnaacutevat mnohem většiacute množstviacute
provedeniacute ktereacute by se mohly lišit i použityacutem materiaacutelem Vzduchoveacute okoliacute detektoru bylo
rozděleno na čtyři sektory v nichž se sečetly hodnoty magnetickeacute energie jednotlivyacutech
elementů v každeacutem kroku analyacutezy a tiacutem se ziacuteskal průběh množstviacute energie v daneacutem prostoru
na čase Objemovaacute hustota magnetickeacute energie byla zjišťovaacutena ve všech plochaacutech daneacute
geometrie a bylo možno sledovat jak se energie v čase přemisťuje
Obr 424 Geometrie varianty 3 mm
Obr 425 Geometrie varianty 5 mm
Obr 426 Geometrie varianty 3 mm-stineni
Obr 427 Geometrie varianty novy 1
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
45
Obr 428 Geometrie varianty novy 2
Přiacuteprava skriptů se od předchoziacutech vyacutepočtů lišila pouze v geometrii jinak byla
principiaacutelně stejnaacute Rozdiacutel byl však v čaacutesti post-processingu (ziacuteskaacutevaacuteniacute vyacutesledků) Aby bylo
možno přistupovat k jednotlivyacutem sektorům musel byacutet každyacute sektor definovaacuten vlastniacutem typem
elementů (elementy byly použity stejneacute jednaacute se pouze o čiacuteslovaacuteniacute) Byly použity osmkraacutet
elementy PLANE53
ET153 Tx vinuti ET253 prostor uvnitr detektoru ET353 nerezovy obal ET453 detekcni prostor ET553 vzduchove okoli - horni ET653 vzduchove okoli - pravy ET753 vzduchove okoli - dolni ET853 vzduchove okoli - levy
Přiacuteklad načiacutetaacuteniacute vyacutesledků pro jeden typ elementů
POST1 prepnutiacute do postprocesoru allsel oznaceni vsech elementu vytvoreni pole pro ukadani hodnot DIMenergie1TABLEkroku11timeE zapsani nulovych hodnot na zacatek vektoru vysledku energie1(00)=0 energie1(01)=0 cyklus ve kterem se nacitaji vysledky jednotlivych kroku simulace doi1kroku1 APPEND 1 i nacteni daneho kroku eseltype1 vybrani elementu typu 1 GET e_count1 ELEM count vraci mnozstvi elementu daneho typu GET e_next ELEM 0 NXTH vraci nejnizsi adresu elementu daneho typu v promenne e_next energ1=0 vynulovani promenne cyklus ktery postupne prochazi vsechy elementy daneho typu doj1e_count11 GET e_energ1 ELEM e_next SENE ulozi do promene e_energ1 mnozstvi energie v elementu s adresou e_next
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
46
GET e_next ELEM e_next NXTH posune adresu elementu o jedna energ1=energ1+e_energ1 pricte mnozstvi energie e_energ1 do kumulativni promnenne energ1 enddo konec vnitrniho cyklu energie1(i0)=i zapise do pole vysledku cislu jirju simulace energie1(i1)=energ1 zapise do pole vysledku mnozstvi energie v cele plose s elementy daneho typu enddo konec vnejsiho cyklu zapis_energ zavolani makra pro zapis vysledku do souboru
422 Hodnoceniacute vyacutesledk ů V jednotlivyacutech sektorech se provedla suma magnetickeacute energie pro každyacute krok
simulace Vyacutesledkem jsou průběhy množstviacute energie v daneacute ploše v zaacutevislosti na krociacutech
simulace (čase) Jednotliveacute varianty byly hodnoceny na zaacutekladě porovnaacuteniacute průběhů se
staacutevajiacuteciacutem detektorem
Energie v Tx vinutiacute
000E+00
100E-03
200E-03
300E-03
400E-03
500E-03
600E-03
700E-03
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 429 Energie v Tx vinutiacute
Na grafu (obr 429) je vidět že množstviacute energie v Tx vinutiacute neniacute zaacutevisleacute na geometrii a je
daacuteno budiacuteciacutem signaacutelem v Tx vinutiacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
47
Energie unit ř detektoru
000E+00
200E-02
400E-02
600E-02
800E-02
100E-01
120E-01
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 430 Energie uvnitř detektoru
Na obr 430 je znaacutezorněno množstviacute energie v prostoru detektoru do ktereacuteho neniacute
započiacutetaacutena detekčniacute oblast ta je zobrazena na obr 432 V teacuteto čaacutesti neniacute pozorovaacutena žaacutednaacute
vyacuteraznaacute změna
Energie v nerezoveacutem obalu
000E+00
500E-05
100E-04
150E-04
200E-04
250E-04
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 431 Energie v nerezoveacutem obalu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
48
Vyacuteraznějšiacute změny se odehraacutevajiacute v nerezoveacutem obalu Nejmenšiacute množstviacute energie je v klasickeacute
3 mm tlusteacute a v 5 mm tlusteacute variantě U klasickeacute varianty se stiacuteněniacutem a u novyacutech naacutevrhů je
naacuterůst způsoben přibliacuteženiacutem nerezu k Tx vinutiacute
Energie v prostoru detek čniacuteho otvoru
000E+00
500E-03
100E-02
150E-02
200E-02
250E-02
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 432 Energie v prostoru detekčniacuteho otvoru
V oblasti detekčniacuteho otvoru je snaha o uchovaacuteniacute co největšiacuteho množstviacute energie neboť
zmenšeniacute energie vede ke sniacuteženiacute odezvy na kontaminant tedy ke sniacuteženiacute citlivosti detektoru
Z obr 432 je patrneacute že geometrickeacute uacutepravy detektoru (3 mm se stiacuteněniacutem novy 1 a novy 2)
vedou ke sniacuteženiacute množstviacute energie v tomto prostoru
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
49
Energie v horniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
100E-07
200E-07
300E-07
400E-07
500E-07
600E-07
700E-07
800E-07
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 433 Energie v horniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Energie v dolniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
100E-07
200E-07
300E-07
400E-07
500E-07
600E-07
700E-07
800E-07
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 434 Energie v dolniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Porovnajiacute-li se obr 433 a 434 je u variant 1 - 3 možneacute pozorovat rozdiacutely mezi horniacute a dolniacute
plochou Je zde na prvniacute pohled vidět jak horniacute oblouk snižuje množstviacute energie unikajiacuteciacute do
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
50
okoliacute Jako uacutečinneacute se z pohledu těchto sektorů jeviacute varianta klasickeacuteho detektoru se stiacuteněniacutem a
novyacute naacutevrh s dvojityacutemi stěnami
Energie v praveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
500E-06
100E-05
150E-05
200E-05
250E-05
300E-05
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 435 Energie v praveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Energie v leveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
500E-06
100E-05
150E-05
200E-05
250E-05
300E-05
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 436 Energie v leveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
51
Pravyacute a levyacute sektor je z důvodů symetrie stejnyacute na obrazciacutech 435 a 436 lze pozorovat tzv
metal free zoacutenu kteraacute se u detektorů udaacutevaacute Jednaacute se o prostor před a za detekčniacutem otvorem
ve ktereacutem se nesmiacute nachaacutezet žaacutednyacute kovovyacute materiaacutel (z důvodu ovlivňovaacuteniacute pole) snahou je
tuto zoacutenu co nejviacutece zmenšit Z grafů je patrneacute že novyacute naacutevrh s dvojityacutemi stěnami vykazuje
nejmenšiacute množstviacute energie v teacuteto oblasti Naopak u klasickeacute varianty se stiacuteněniacutem došlo k
vytlačeniacute pole z vnitřku detektoru praacutevě do těchto okolniacutech zoacuten
Na zaacutekladě těchto poznatků bude provedeno ověřeniacute na skutečnyacutech zařiacutezeniacutech Mezi
použitelneacute varianty připadaacute klasickaacute konstrukce doplněnaacute o stiacuteněniacute a novyacute naacutevrh s dvojityacutemi
stěnami U toho je však velkaacute hrozba sniacuteženiacute citlivosti způsobeneacute menšiacutem množstviacutem energie
v detekčniacutem prostoru
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
52
5 Zaacutevěr Ciacutelem předklaacutedaneacute praacutece je zlepšeniacute činnosti detektorů kovů přiacutepadně uacuteprava
technologie vyacuteroby při současneacutem sniacuteženiacute vyacuterobniacutech naacutekladů Předpokladem uacutespěšnyacutech
naacutevrhů byla podrobnaacute studie činnosti a principu těchto zařiacutezeniacute kteraacute jsou vyacuterobcem po
několik let uacutespěšně prodaacutevaacutena na světovyacutech trziacutech
Na zaacutekladě těchto požadavků byly provedeny některeacute testy ktereacute měly ověřit
předpoklaacutedanaacute zlepšeniacute Nejširšiacute možnosti přinaacutešiacute modelovaacuteniacute magnetickeacuteho pole
průmyslovyacutech detektorů počiacutetačovou simulaciacute kteraacute je zatiacutem schopna řešit zadaneacute probleacutemy
v dvourozměrneacutem prostoru Nejčastěji řešeneacute probleacutemy jsou staacutele spojeny se zaacutekladniacutem
principem činnosti těchto zařiacutezeniacute tj vlivem a působeniacutem kontaminantu na
elektromagnetickeacute pole buzeneacute ciacutevkami uvnitř detektoru a nepřiacuteznivyacute vliv vnějšiacutech rušivyacutech
poliacute např při současneacute činnosti sousedniacutech detektorů Dalšiacutem zdrojem rušivyacutech magnetickyacutech
poliacute může byacutet i činnost a přiacutetomnost různyacutech elektrickyacutech zařiacutezeniacute probleacutem spojenyacute s
vhodnyacutem materiaacutelem a tvarem stiacuteněniacute těchto zařiacutezeniacute
Vzhledem k maximaacutelniacute citlivosti elektronickyacutech obvodů a požadovaneacute pečlivosti při
balancovaacuteniacute (vyvažovaacuteniacute) se vyskytuje probleacutem kteryacute souvisiacute se staacutelostiacute nastaveniacute detektoru
při mechanickeacutem otřesu přiacutepadně odstraněniacute změn ke kteryacutem dochaacuteziacute vlivem dopravy
Dalšiacutem plaacutenovanyacutem krokem je namodelovaacuteniacute probleacutemu v trojrozměrneacutem prostoru od
ktereacuteho je očekaacutevaacuteno zohledněniacute dalšiacutech vlivů a tiacutem zpřesněniacute samotneacuteho vyacutesledku
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
53
6 Použitaacute literatura [1] Internetoveacute straacutenky společnosti Loma Systems sro
httpwwwlomacom_czindexshtml
[2] Haacutejek J Jarchovskyacute Z Detektory kovů - naacutevod na stavbu nakladatelstviacute BEN Praha
2010
[3] Beneda L Detektory kovů bakalaacuteřskaacute praacutece ZČU Plzeň 2010
[4] Internetoveacute straacutenky společnosti Ad controls sro
httpwwwadcontrolsczdetektory_kovu_zakladni_pojmy
[5] KOVOHUTĚ ROKYCANY as COMTES FHT as MATEX sro Průběžnaacute
zpraacuteva k projektu FeNi - čj 1021207 - 32 za rok (2007 - 2009)
[6] Ansys Inc ANSYS HELP Release 130 Dokumentace k programu
[7] Karban P a kolektiv autorů Aplikace teoretickeacute elektrotechniky Skripta ZČU Plzeň
2011
[8] Benešovaacute Z Ulrych B Přiacuteručka pro použitiacute programů ve vyacuteuce teorie
elektromagnetickeacuteho pole Skripta ZČU Plzeň 1997
[9] Loma Systems sro Knowledge Base - Interniacute dokumentace společnosti
[10] Internetoveacute straacutenky společnosti Aerospace specification metals Inc
httpasmmatwebcomsearchSpecificMaterialaspbassnum=MQ304A
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
1
7 Přiacutelohy
71 Tvorba geometrie PREP7 prepnuti do rezimu preprocesingu jj=8 index polohy kontaminantu r1=05e-3 polomer Tx vodice 05 mm r2=15e-3 polomer kontaminantu 15 mm c=90e-3 sirka Rx civek h=1767e-3 vzdalenost mezi Tx vinutim hrx=(h2)+526e-3 zakladni vyskova poloha mezi Rx civkami hss=175e-3 vyska nerezoveho krytu wss=150e-3 sirka nerezoveho krytu tss=3e-3 tloustka nerezove steny hd=h-227e-3 vyska detekcniho otvoru wok=1000e-3 sirka vzduchoveho okoli hok=1000e-3 vyska vzduchoveho okoli wkon=(-250e-3)+(jj20e-3) poloha kontaminantu na ose X tvorba geometrickych bodu nerezoveho krytu K1022589e-30 K2022185e-30 K3-7907e-321208e-30 K4-78e-32085e-30 K57907e-321208e-30 K678e-32085e-30 K7-wsshss0 K8-wss+tsshss-tss0 K9wsshss0 K10wss-tsshss-tss0 K11-wss-hss0 K12-wss+tss-hss+tss0 K13wss-hss0 K14wss-tss-hss+tss0 vytvoreni ploch definovanymi body FLST273 FITEM27 FITEM23 FITEM21 FITEM25 FITEM29 FITEM213 FITEM211 AP51X FLST273 FITEM28 FITEM24 FITEM22 FITEM26 FITEM210 FITEM214 FITEM212 AP51X CYL40h2r1 plocha horniho Tx vodice CYL40-h2r1 ploch dolniho Tx vodice BLC50((h2)+hrx)2100e-310e-3 plocha horniho vzduchoveho okoli Tx vodice BLC50-((h2)+hrx)2100e-310e-3 plocha dolniho vzduchoveho okoli Tx vodice BLC5002wsshd plocha detekcniho ootvoru APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch odstraneni ploch ktere budou sjednoceny se vzduchovym okolim
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
2
FLST255ORDE4 FITEM210 FITEM2-12 FITEM215 FITEM218 ADELEP51X BLC500wokhok vytvoreni plochy vzduchoveho okoli APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch CYL4wkon0r2 vytvoreni plochy kontaminantu APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch konec tvorby geometrickeho modelu
72 Definice element ů materiaacutel ů a jejich p řiřazeniacute k plochaacutem definovani materialu MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX11 material 1 Tx permeabilita 1 MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX21 material 2 Air permeabilita 1 MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX31008 material 3 nerezovy kryt SS ANSI 304 permeabilita MPTEMP MPTEMP10 MPDATARSVX372e-7 material 3 nerezoovy kryt SS Ansi 304 rezistivita MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX4400 material 4 Kontaminant permeabilita MPTEMP MPTEMP10 MPDATARSVX4102e-7 material 4 Kontaminant rezistivita definovani elementu ET153 Tx civky ET253 Vzduch ET353 nerezovy kryt ET453 kontaminant nastaveni elementu KEYOPT110 Tx civky KEYOPT120 KEYOPT130 KEYOPT140 KEYOPT150 KEYOPT170 KEYOPT210 Air KEYOPT220 KEYOPT230 KEYOPT240 KEYOPT250 KEYOPT270 KEYOPT310 SS KEYOPT320 KEYOPT330 KEYOPT340 KEYOPT350
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
3
KEYOPT370 KEYOPT410 kontaminant KEYOPT420 KEYOPT430 KEYOPT440 KEYOPT450 KEYOPT470 prirazeni elementu a materialum k plocham FLST525ORDE2 Tx FITEM58 FITEM5-9 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 1 1 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 FLST535ORDE3 Air FITEM53 FITEM516 FITEM5-17 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 2 2 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 FLST525ORDE2 SS FITEM513 FITEM5-14 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 3 3 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 CM_YAREA kontaminant ASEL 1 CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 4 4 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
4
73 Siacuteťovaacuteniacute oblastiacute FLST275ORDE7 FITEM21 FITEM28 FITEM2-9 FITEM213 FITEM2-14 FITEM216 FITEM2-17 AESIZEP51X00005 nastaveni delky steny elementu 00005 m FLST215ORDE1 FITEM23 AESIZEP51X001 nastaveni delky steny elementu 001 m MSHAPE12D nastaveni 2D trojuhelnikove site MSHKEY0 FLST585ORDE8 FITEM51 FITEM53 FITEM58 FITEM5-9 FITEM513 FITEM5-14 FITEM516 FITEM5-17 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CHKMSHAREA CMSELS_Y AMESH_Y1 spusteni automatickeho sitovani CMDELE_Y CMDELE_Y1 CMDELE_Y2
74 Okrajovaacute podmiacutenka a nastaveniacute budiciacuteho pr ůběhu okrajova podminka FLST244ORDE4 FITEM214 FITEM212 FITEM27 FITEM25 DLP51X AZ0 nastaveni zatizeni parametry budici proudove hustoty f=35e3 frekvence signalu [Hz] part=600 pocet kroku signalu T_min=0 pocatek casove osy T_max=1f konec casove osy dt=T_maxpart casovy krok parametry prudove hustoty pi=4atan(1) s=pir12 I=600sqrt(2) N1=1 J1_a=IN1s definovani vzestupne casti pulsu tau=3 DIMJexTABLE5011timeJ Jex(11)=0
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
5
Jex(10)=0 doi2501 Jex(i1)=(J1_a)(1-exp(-itau)) Jex(i0)=(i) enddo definovani sestupne casti pulsu tau=3 DIMJex1TABLE5011timeJ Jex1(11)=J1_a Jex1(10)=0 doi2501 Jex1(i1)=(J1_a)(exp(-itau)) Jex1(i0)=(i) enddo sestaveni celeho pulsu DIMJex2TABLE10011timeJ Jex2(11)=0 Jex2(10)=0 doi2501 Jex2(i1)=Jex(i1) Jex2(i0)=(i) enddo doi511001 Jex2(i1)=Jex1(i-501) Jex2(i0)=(i) enddo priprava nulovych vektoru kladneho a zaporneho prubehu J DIMJ1TABLE60011timeJ DIMmJ1TABLE60011timeJ doi16001 J1(i0)=(i-1)dt time J1(i1)=0 J mJ1(i0)=(i-1)dt time mJ1(i1)=0 -J enddo vlozeni prvniho pulsu doi11001 J1(i1)=Jex2(i1) mJ1(i1)=-Jex2(i1) enddo vlozeni druheho pulsu doi3004001 J1(i1)=-Jex2(i-3001) mJ1(i1)=Jex2(i-3001) enddo prirazeni prubehu k plocham PREP7 FLST215ORDE1 FITEM28 BFAP51XJSJ1 FLST215ORDE1 FITEM29 BFAP51XJSmJ1
75 Nastaveniacute analyacutezy SOL prepnuti do Solution modu - nastaveni analyzy kroku=300 pocet kroku simulace ANTYPE4 TRNOPTFULL
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
6
NSUBSTkroku00 OUTRESERASE OUTRESALL1 TIMET_max solve spusti vypocet ulohy
76 Postprocessing POST1 prepne do Preprocesing modu krokyb=200 pocet kroku na delku coilgapu L=03 delka Rx snimace hrx1=(h2)+10e-3 jednotlive vyskove pozice Rx vinuti hrx2=(h2)+526e-3 hrx3=(h2) hrx4=((h2)-526e-3) hrx5=((h2)-10e-3) vytvoreni pole hodnot - 10 sloupcu x 300 radku sloupce odpovidaji poctu jednotlivych civek 2x5 (5 poloh horni a dolni civka) DIMTOKTABLEkroku101SUBSTEP TOK(00)=0 TOK(01)=0 TOK(02)=0 TOK(03)=0 TOK(04)=0 TOK(05)=0 TOK(06)=0 TOK(07)=0 TOK(08)=0 TOK(09)=0 TOK(010)=0 dok1kroku1 hlavni cyklus pocet cyklu odpovida poctu kroku analyzy APPEND 1 k nacteni k-teho kroku analyzy tato cast kodu je nutna pro kazdou civku zvlast (10x se opakuje) PATHHORNI26krokyb-1 definovani cesty horni civky PPATH10-c2hrx10 levy koncovy bod PPATH20c2hrx10 pravy koncovy bod PDEF BYAVG namapovani Y-slozky magneticke indukce B PCALCINTGINT_HORBYXGL vypocet integralu z By podle dX PBCPATH 0 PAGETHORNI1_TABL ulozeni hodnot ziskanych na definovane ceste do pole HORNI1_ PADELALL smazani cesty i s hodnotamy (pole HORNI1_ zustava) konec opakujici se casti prirazovani posledni hodnoty integralu do prislusneho pole vysledku TOK(k0)=k casova osa TOK(k1)=HORNI1_(krokyb6) TOK(k2)=DOLNI1_(krokyb6) TOK(k3)=HORNI2_(krokyb6) TOK(k4)=DOLNI2_(krokyb6) TOK(k5)=HORNI3_(krokyb6) TOK(k6)=DOLNI3_(krokyb6) TOK(k7)=HORNI4_(krokyb6) TOK(k8)=DOLNI4_(krokyb6) TOK(k9)=HORNI5_(krokyb6) TOK(k10)=DOLNI5_(krokyb6) DELPRM_ smaze vsechny pole vysledku koncici znakem _ enddo konec cyklu zapis_tok odkaz na skript pro zapsani pole vysledku do souboru txt
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
7
77 Makro Vyacutepis makra ktereacute uklaacutedaacute hodnoty do souboru tok_fitxt
MWRITETOK(111)tok_fitxt vytvori soubor tok_fitxt a ulozi do
nej matici vysletku TOK
(10E135) urcuje format zapisu hodnot - 10
sloupcu cisel o celkove delce 13ti
znaku z toho 5 za desetinou teckou
CFCLOS uzavre soubor
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
8
Eviden čniacute list
Souhlasiacutem s tiacutem aby moje bakalaacuteřskaacute praacutece byla půjčovaacutena k prezenčniacutemu studiu v
Univerzitniacute knihově ZČU v Plzni
Datum Podpis
Uživatel stvrzuje svyacutem čitelnyacutem podpisem že tuto bakalaacuteřskou praacuteci použil ke studijniacutem
uacutečelům a prohlašuje že ji uvede mezi použityacutemi prameny
Jmeacuteno Fakultakatedra Datum Podpis
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
Anotace
Ciacutele teacuteto diplomoveacute praacutece jsou zaměřeny na specifickou skupinu detektorů kovů a to na
detektory průmysloveacute V uacutevodu je popsaacuten princip využiacutevanyacute v těchto zařiacutezeniacutech a jeho možneacute
obměny Tato praacutece vznikla diacuteky spolupraacuteci se společnostiacute Loma Systems sro Dalšiacute čaacutestiacute
praacutece je popis zařiacutezeniacute teacuteto společnosti a naacutevrh optimalizace těchto zařiacutezeniacute Hlavniacutem bodem
bylo vyšetřit průběh magnetickeacuteho pole v detektoru a jeho okoliacute s ohledem na efektivniacute
stiacuteněniacute
Kliacute čovaacute slova
Průmyslovyacute detektor kovu vysiacutelaciacute ciacutevka přijiacutemaciacute ciacutevka magnetickeacute pole elektrickeacute pole
simulace poliacute Ansys citlivost rušeniacute detektoru
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
Abstract
The objectives of this thesis are focused on a specific group of metal detectors the industry
metal detectors There are the principles used in these devices and their possible variations
described in the introduction This thesis was developed in collaboration with Loma Systems
Inc company Another part is a description of the companys detector and proposal of design
optimization of these devices The main point was to investigate the distribution of the
magnetic field in the detector and its area with concern to the effective shielding
Key words
Industry metal detector transmitter coil receiver coil magnetic field electric field
simulation of fields Ansys sensitivity disturbance of detector
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
Prohlaacutešeniacute
Předklaacutedaacutem tiacutemto k posouzeniacute a obhajobě diplomovou praacuteci zpracovanou na zaacutevěr studia na
Fakultě elektrotechnickeacute Zaacutepadočeskeacute univerzity v Plzni
Prohlašuji že jsem tuto diplomovou praacuteci vypracoval samostatně s použitiacutem odborneacute
literatury a pramenů uvedenyacutech v seznamu kteryacute je součaacutestiacute teacuteto diplomoveacute praacutece
Daacutele prohlašuji že veškeryacute software použityacute při řešeniacute teacuteto diplomoveacute praacutece je legaacutelniacute
V Plzni dne 952012 Jmeacuteno přiacutejmeniacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
Poděkovaacuteniacute
Tiacutemto bych raacuted poděkoval vedouciacutemu bakalaacuteřskeacute praacutece doc Ing Vlastimilu Beranovi CSc
za cenneacute rady připomiacutenky a metodickeacute vedeniacute praacutece daacutele panu Ing Vladimiacuteru Kindlovi
PhD a Ing Jindřichu Kňourkovi za pomoc s programem Ansys společnosti Loma Systems
sro za poskytnutiacute materiaacutelů jejich zařiacutezeniacute a celkoveacuteho zaacutezemiacute pro řešeniacute teacuteto praacutece a v
neposledniacute řadě bych chtěl velmi ocenit přiacutestup k vyacutepočetniacutem kapacitaacutem MetaCentra
poskytovanyacutech v raacutemci programu Projekty velkyacutech infrastruktur pro vyacutezkum vyacutevoj a
inovace LM2010005 financovaacuten Ministerstvem školstviacute mlaacutedeže a tělovyacutechovy Českeacute
republiky
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
8
Obsah SEZNAM SYMBOL Ů 9
UacuteVOD 10
1 ZAacuteKLADNIacute FYZIKAacuteLNIacute PRINCIPY DETEKTOR Ů KOVU11
2 PRINCIPY AKTIVNIacuteCH ELEKTROMAGNETICKYacuteCH DETEKTOR Ů KOVU 12
21 PRINCIP BALANČNIacuteCH DETEKTORŮ12
3 ZAŘIacuteZENIacute SPOLEČNOSTI LOMA SYSTEMS SRO 16
31 OBECNEacute INFORMACE17 32 VYSIacuteLACIacute ČAacuteST - TX 17 33 PŘIJIacuteMACIacute ČAacuteST - RX 21 34 PRINCIP VYHODNOCOVAacuteNIacute22 35 VYVAŽOVAacuteNIacute DETEKTORU 23 36 VYacuteSTUPNIacute KONTROLA 25
4 OPTIMALIZACE A STIacuteN ĚNIacute DETEKTORU 27
41 VYŠETŘOVAacuteNIacute VLIVU POZICE RX VINUTIacute 28 411 Preprocessing - přiacuteprava skriptu 29 412 Postprocessing - ziacuteskaacutevaacuteniacute vyacutesledků 31 413 Hodnoceniacute vyacutesledků 33
42 VYŠETŘOVAacuteNIacute MNOŽSTVIacute VYZAŘOVANEacute ENERGIE43 421 Řešeniacute probleacutemu43 422 Hodnoceniacute vyacutesledků 46
5 ZAacuteVĚR 52
6 POUŽITAacute LITERATURA53
7 PŘIacuteLOHY1
71 TVORBA GEOMETRIE1 72 DEFINICE ELEMENTŮ MATERIAacuteLŮ A JEJICH PŘIŘAZENIacute K PLOCHAacuteM 2 73 SIacuteŤOVAacuteNIacute OBLASTIacute 4 74 OKRAJOVAacute PODMIacuteNKA A NASTAVENIacute BUDICIacuteHO PRŮBĚHU 4 75 NASTAVENIacute ANALYacuteZY 5 76 POSTPROCESSING6 77 MAKRO 7
EVIDENČNIacute LIST 8
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
9
Seznam symbol ů DK (-)helliphelliphelliphelliphellip detektor kovů
f (Hz)helliphelliphelliphellip frekvence
ω (s-1)helliphelliphelliphelliphellip uacutehlovaacute rychlost (frekvence)
ρ (Ωm)helliphelliphelliphellip měrnyacute odpor
micro0 (Hm-1)helliphelliphellip permeabilita vakua (4π10-7)
micror (-)helliphelliphelliphelliphellip poměrnaacute permeabilita
TRhelliphelliphelliphelliphelliphellip transformaacutetor
C (F)helliphelliphelliphelliphellip kapacita
Txhelliphelliphelliphelliphelliphellip transmitter - vysiacutelač
Rxhelliphelliphelliphelliphelliphellip receiver - přijiacutemač
SShelliphelliphelliphelliphellip stainless steel - nerezovaacute ocel
IQ2helliphelliphelliphelliphellip model detektoru společnosti Loma Systems sro
IQ3helliphelliphelliphelliphellip novějšiacute model detektoru společnosti Loma Systems sro
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
10
Uacutevod Po zveřejněniacute bakalaacuteřskeacute praacutece Detektory kovů projevila společnost Loma Systems
sro zaacutejem o spolupraacuteci v oblasti vyacuteroby a vyacutevoje průmyslovyacutech detektorů kovu
Společnosti Loma a Cintex byly založeny před 30 lety a jsou předniacutemi světovyacutemi
producenty v oblasti potravinovyacutech farmaceutickyacutech a textilniacutech kontrolniacutech systeacutemů ndash
detektorů kovu rentgenoveacute kontroly a zařiacutezeniacute kontrolniacuteho vaacuteženiacute Sveacute prestižniacute postaveniacute
ziacuteskaly diacuteky sveacute trvaleacute kvalitě a pokročilyacutem technologiiacutem což je vyacutesledkem neustaacuteleacuteho a
rozsaacutehleacuteho vyacutezkumneacuteho a vyacutevojoveacuteho programu
Hlavniacute siacutedlo je ve Farnborough ve Velkeacute Britaacutenii Vyacutezkumnaacute a vyacutevojovaacute centra jsou
jak ve Velkeacute Britaacutenii tak v Chicagu ve Spojenyacutech staacutetech a nyniacute se zřizuje i zde v Českeacute
republice Většina vyacuteroby je ve Velkeacute Britaacutenii a Chicagu nyniacute se postupně přesouvaacute do nově
zřiacutezeneacute provozovny v Českeacute republice (Dobřany) Společnost maacute takeacute přiacutemeacute prodejniacute a
servisniacute zastoupeniacute ve Francii Německu Nizozemiacute Čiacuteně Kanadě a USA Mimo tyto oblasti
těsně spolupracuje s distributory a podiacuteliacute se vyacuterobou a dodaacutevkami součaacutestek pro vyacuterobce ve
viacutece než 35 zemiacutech po celeacutem světě aby zajistila že se zaacutekazniacutekům dostaacutevaacute plneacuteho servisu a
podpory ať už se nachaacutezejiacute kdekoliv [1]
Ciacutelem společnosti je vytvořeniacute kolektivu pracovniacuteků v ČR kteřiacute se již v teorii detekce
kovů orientujiacute a jsou schopni pracovat na probleacutemech a slabyacutech straacutenkaacutech vyacuteroby a podiacutelet se
na vyacutevoji novyacutech detektorů Po dohodě byl vymezen okruh probleacutemů ve kteryacutech by bylo
vhodneacute proveacutest určitaacute zlepšeniacute jak po straacutence technickeacute tak technologickeacute s ohledem na
ekonomickeacute uacutespory a zlepšeniacute vyacuterobniacuteho procesu
V teacuteto praacuteci je uveden popis principu staacutevajiacuteciacuteho zařiacutezeniacute společnosti Loma Systems
sro postup vyšetřovaacuteniacute magnetickeacuteho pole tohoto zařiacutezeniacute a naacutevrh optimalizace z pohledu
zlepšeniacute kvality detekce a stiacuteněniacute elektromagnetickeacuteho pole
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
11
1 Zaacutekladniacute fyzikaacutelniacute principy detektor ů kovu Principy detektorů kovů jsou založeny na využiacutevaacuteniacute specifickyacutech vlastnostiacute kovů
Kovy se od okolniacutech materiaacutelů lišiacute hlavně
bull měrnyacutem elektrickyacutem odporem
bull magnetickyacutemi vlastnostmi
Většina hledanyacutech objektů je energeticky pasivniacute proto je pro jejich detekci potřeba
energii dodaacutevat Dodaacutevanaacute energie je většinou vyzařovaacutena detektorem čaacutestiacute kteraacute maacute funkci
vysiacutelače Vysiacutelanaacute energie může byacutet akustickaacute na tomto principu funguje sonar nebo
elektromagnetickaacute což je princip většiny detektorů od radarů přes průmysloveacute detektory až k
tzv minohledačkaacutem Zde se využiacutevaacute vyacuteše jmenovanyacutech odlišnostiacute ktereacute majiacute vliv na
pohlcenou odraacuteženou a zbytkovou energii kteraacute je detekovanyacutem objektem vyzařovaacutena zpět
nebo jinyacutem způsobem deformuje elektromagnetickeacute pole Množstviacute pohlceneacute energie je daacuteno
matematickyacutem vyacuterazem (11) kteryacute určuje tzv hloubku vniku δ ve ktereacute se přivedenaacute energie
vlivem viacuteřivyacutech proudů sniacutežiacute na polovinu
( )mmicroωρδ
sdotsdot= 2
(11)
kde micro = micro0 micror
Vyacuteraz (11) je třeba uvažovat při řešeniacute energie pohlceneacute nebo odraacuteženeacute z hlediska volby
frekvence vysiacutelaneacute energie neboť
( )12 minussdotsdot= sfπω (12)
Druhou skupinu tvořiacute objekty ktereacute do sveacuteho okoliacute nějakou formou energii vyzařujiacute
Vyzařovanaacute energie může byacutet
bull akustickaacute (lokalizovaacuteniacute polohy ponorek)
bull elektromagnetickaacute (vyzařovaacuteniacute většiny elektrickyacutech zařiacutezeniacute točivyacutech i netočivyacutech
lokalizovaacuteniacute letadel ndash systeacutem TAMARA)
bull tepelnaacute (termovize tepelneacute navaacuteděniacute řiacutezenyacutech střel)
bull gama zaacuteřeniacute (vyhledaacutevaacuteniacute izotopů)
Zvlaacuteštniacutem přiacutepadem je situace kdy hledanyacute objekt i detektor jsou pasivniacute a k detekci je
využiacutevaacutena změna energie z ciziacuteho zdroje Konkreacutetniacutem přiacutepadem je přiacutestroj nazyacutevanyacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
12
magnetometr kteryacute detekuje objekty na zaacutekladě změny intenzity magnetickeacuteho pole země
vyvolaneacute hledanyacutem objektem Deformaci magnetickeacuteho pole země nezpůsobujiacute pouze kovy
ale i jineacute nehomogenity jako jsou jeskyně dutiny nebo remanentniacute magnetickeacute pole [2]
2 Principy aktivniacutech elektromagnetickyacutech detektor ů kovu
Pro detekci jsou obecně využiacutevaacuteny změny sniacutemaneacute veličiny ktereacute jsou způsobeny
hledanyacutem předmětem materiaacutelem Při vyhledaacutevaacuteniacute objektů elektromagnetickyacutem polem se
využiacutevaacute dvou materiaacutelovyacutech vlastnostiacute způsobujiacuteciacute jeho deformaci Zaprveacute je to deformace
pole feromagnetickyacutem materiaacutelem (např permaloy ferit železo) jehož magnetickaacute vodivost
převyšuje vodivost elektrickou a způsobuje soustředěniacute siločar pole do objektu obr 21
Obr 21 Feromagnetickyacute objekt Obr 22 Neferomagnetickyacute objekt
Materiaacutely u kteryacutech převyšuje elektrickaacute vodivost nad magnetickou (např měď hliniacutek)
uplatňujiacute druhyacute princip a tiacutem je deformace původniacuteho pole polem sekundaacuterniacutem Sekundaacuterniacute
pole vznikaacute viacuteřivyacutemi proudy naindukovanyacutemi ve vodiveacutem předmětu vystaveneacutemu původniacutemu
poli Ze zaacutekona o zachovaacuteniacute energie plyne že sekundaacuterniacute pole působiacute proti původniacutemu
Naacutesledkem tohoto jevu dojde k obtečeniacute objektu siločarami původniacuteho vyzařovaneacuteho pole
obr 22 [3]
21 Princip balan čniacutech detektor ů Většina průmyslovyacutech detektorů kovu pracuje na balančniacutem principu podrobnyacute popis
ostatniacutech principů je uveden napřiacuteklad ve [3]
Tento princip je založen na vyvaacuteženyacutech (vybalancovanyacutech) ciacutevkaacutech (IB ndash Induction
Balance) Z toho plyne že hledaciacute sonda je složena z minimaacutelně dvou ciacutevek popřiacutepadě dvou
systeacutemů ciacutevek z nichž jeden je vysiacutelaciacute a druhyacute pracuje jako přijiacutemač (Transmitter Receiver
ndash TR) Tyto detektory byacutevajiacute označovaacuteny TR-IB V přiacutepadě dvou ciacutevek je přijiacutemaciacute ciacutevka
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
13
umiacutestěna vzhledem k vysiacutelaciacute ciacutevce tak že naindukovaneacute napětiacute při nepřiacutetomnosti kovu je
rovno nule tzv uspořaacutedaacuteniacute překryacutevanyacutech ciacutevek tvaru D Stejneacuteho efektu lze dosaacutehnou při
pozici ciacutevek vzaacutejemně pootočenyacutech o 90deg Jestliže je na straně přiacutejmu soustava dvou ciacutevek
umiacutestiacute se vzhledem k vysiacutelaciacute ciacutevce tak že v nepřiacutetomnosti kovu se do ciacutevek indukuje stejně
velkeacute napětiacute ktereacute se mezi sebou odečte Rozdiacutelu obou napětiacute na přijiacutemaciacutech ciacutevkaacutech je roven
nule (obr 23)
Obr 23 Uspořaacutedaacuteniacute systeacutemu ciacutevek Jakaacutekoliv deformace pole vysiacutelaciacute ciacutevky maacute za naacutesledek porušeniacute rovnovaacutehy a na přijiacutemaciacute
straně se objeviacute napětiacute indikujiacuteciacute přiacutetomnost kovu Indukovaneacute napětiacute v přijiacutemaciacute ciacutevce lze
matematicky popsat vztahem (21)
( )ϕω +sdotsdot= tAU sin (21)
kde A amplituda signaacutelu
ω uacutehlovaacute frekvence signaacutelu
φ faacutezovyacute posuv oproti vysiacutelaneacutemu signaacutelu
Pokud se pod ciacutevkami nachaacuteziacute elektricky vodivyacute objekt z neferomagnetickeacuteho
materiaacutelu je pole deformovaacuteno sekundaacuterniacutem polem způsobenyacutem viacuteřivyacutemi proudy ktereacute
působiacute proti poli původniacutemu Pak přijiacutemaneacute napětiacute UPN v přijiacutemaciacute ciacutevce bude miacutet maximaacutelniacute
hodnotu v okamžiku největšiacute změny vysiacutelaneacuteho napětiacute UV V přiacutepadě indikace
feromagnetickeacuteho materiaacutelu je indukovaneacute napětiacute UPF ve faacutezi s vysiacutelaciacutem napětiacutem Protože je
v praxi nemožneacute dosaacutehnout absolutniacuteho vyvaacuteženiacute ciacutevek bude v přijiacutemaciacute ciacutevce vždy nějakeacute
maleacute napětiacute Na obr 24 jsou ideaacutelniacute přijiacutemaneacute signaacutely pro různeacute druhy kontaminantů U
obecnyacutech materiaacutelů se ve skutečnosti uplatňujiacute jak feromagnetickeacute vlastnosti tak vodivostniacute
Z tohoto důvodu bude miacutet napětiacute UP indukovaneacute v přijiacutemaciacute ciacutevce faacutezovyacute posuv oproti
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
14
vysiacutelaneacutemu v intervalu
20π
[2]
Obr 24 Průběhy napětiacute UV ndash vysiacutelaneacute napětiacute UPF ndash ideaacutelniacute přijiacutemaneacute napětiacute (feromagnetickyacute materiaacutel) UPN ndash ideaacutelniacute přijiacutemaneacute napětiacute (neferomagnetickyacute materiaacutel) UP ndash skutečneacute přijiacutemaneacute napětiacute [2]
Existujiacute různeacute možnosti dociacuteleniacute nuloveacuteho klidoveacuteho přenosu mezi ciacutevkami Zaprveacute
prostorovyacutem odděleniacutem kdy osy ciacutevek mezi sebou sviacuterajiacute uacutehel 90deg vysiacutelaciacute ciacutevka je uložena
svisle a přijiacutemaciacute ciacutevka vodorovně obr 25 Tyto detektory byly nazyacutevaacuteny bdquoTwo boxldquo [2]
Obr 25 Princip prostoroveacuteho uspořaacutedaacuteniacute 90deg ciacutevek [2]
V druheacutem přiacutepadě jsou obě ciacutevky uloženy vodorovně ale jejich prostoroveacute uspořaacutedaacuteniacute se voliacute
takoveacute aby byla vzaacutejemnaacute indukčnost nulovaacute Toho je dociacuteleno tiacutem že přijiacutemaciacute ciacutevkou
U (V)
t (s)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
15
prochaacuteziacute stejneacute množstviacute siločar vysiacutelaciacute ciacutevky v jednom i druheacutem směru a tiacutem dochaacuteziacute ke
kompenzaci (vyrušeniacute) jejich uacutečinku obr 26
Obr 26 Princip prostoroveacuteho uspořaacutedaacuteniacute překryacutevajiacuteciacutech se ciacutevek [2]
Společnosti vyraacutebějiacuteciacute průmysloveacute detektory kovů majiacute většinou sveacute specifickeacute uspořaacutedaacuteniacute
ciacutevek
Obr 27 Viacutece ciacutevkoveacute uspořaacutedaacuteniacute detektoru společnosti Ad controls sro a jeho skutečneacute provedeniacute [4]
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
16
Obr 28 Třiacute ciacutevkoveacute uspořaacutedaacuteniacute detektoru společnosti Loma Systems sro
Kvalita detektoru je daacutena předevšiacutem ciacutevkovou soustavou a neměnnostiacute jejiacutech vlastnostiacute a daacutele
volbou pracovniacuteho kmitočtu Špičkou mezi dnešniacutemi detektory jsou zařiacutezeniacute umožňujiacuteciacute
činnost při různyacutech budiacuteciacutech kmitočtech Vyacutehodou těchto systeacutemů je možnost použiacutevat viacutece
zařiacutezeniacute bliacutezko u sebe a hlavně možnost použitiacute různyacutech frekvenciacute pro rozdiacutelneacute produkty s
ohledem na citlivost a kvalitu detekce
3 Zařiacutezeniacute spole čnosti Loma Systems sro Podmiacutenkou k dalšiacute vyacutevojoveacute činnosti je podrobnaacute znalost vyraacuteběnyacutech zařiacutezeniacute a
vyacuterobniacutech technologiiacute v daneacutem podniku
Obr 31 Detektor kovů IQ3 s dotykovyacutem ovlaacutedaacuteniacutem společnosti Loma Systems sro [1]
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
17
31 Obecneacute informace Jsou vyraacuteběny dva typy detektorů ktereacute pracujiacute na stejneacutem principu ale lišiacute se
vysiacutelaciacutemi průběhy budiacuteciacuteho napětiacute a možnostiacute pracovat na různyacutech kmitočtech
Staršiacute model označenyacute jako IQ2 je vyraacuteběnyacute ve třech variantaacutech jako farmaceutickyacute
detektor detektor s volnyacutem propadem produktu nebo detektor s produktem dopravovanyacutem
potrubiacutem Posledniacute dva jmenovaneacute jsou takeacute vyraacuteběny na zaacutekladě technologie IQ3 Tento
systeacutem umožňuje činnost detektoru na různyacutech budiacuteciacutech kmitočtech a je použit hlavně u
dopravniacutekovyacutech detektorů Detektor IQ2 pracuje na neměnneacute frekvenci 1 MHz
Dopravniacutekoveacute detektory jsou vyraacuteběny ve dvou variantaacutech normaacutelniacute (detekčniacute otvor
maacute stěny opatřeneacute vrstvou modreacuteho epoxidu) a detektory pro extreacutemně nepřiacutezniveacute podmiacutenky
(stěny detekčniacuteho otvoru jsou pokryty odolnyacutem plastem) ktereacute odolaacutevajiacute i vysokotlakeacutemu
vodniacutemu čištěniacute Obě varianty jsou vhodneacute i pro použitiacute v potravinaacuteřskeacutem průmyslu
Všechny detektory jsou schopny pracovat při siacuteťoveacutem napětiacute 110115200220230 V
50 nebo 60 Hz 1f 380400 V 5060 Hz 3f a majiacute stupeň krytiacute IP 69K což umožňuje uacutedržbu
vysokotlakyacutemi vodniacutemi čističi Ovlaacutedaacuteniacute a komunikace s detektorem je zajištěna LCD
displejem s tlačiacutetky nebo displejem dotykovyacutem Každyacute detektor je vybaven releacuteovyacutemi
vyacutestupy jimiž je možno ovlaacutedat chod dopravniacuteku vyřazovaciacute systeacutem signalizačniacute lampy či
klakson
Detektor jako takovyacute se sklaacutedaacute z jedneacute čaacutesti kde je jak samotnyacute detekčniacute otvor tak i
veškeraacute elektronika Detekčniacute otvor tvořiacute jaacutedro z tvrzeneacuteho papiacuteru (Tufnol) do ktereacuteho jsou
vlepeny vodiče ciacutevek Stěny detekčniacuteho otvoru jsou opatřeny modryacutem epoxidem nebo biacutelyacutem
polyethylenem (Acetal) kteryacute maacute většiacute mechanickou odolnost Celeacute zařiacutezeniacute je uzavřeno v
obalu z nerezoveacute oceli ANSI 304 (DIN 14301) tloušťky 3 mm Prostor mezi jaacutedrem a
nerezovyacutem obalem je vyplňovaacuten pěnivyacutem epoxidem
Elektronika detektoru obsahuje tři desky plošnyacutech spojů a ovlaacutedaciacute displej Hlavniacute
čaacutestiacute je řiacutediacuteciacute deska (Control board) na ktereacute se nachaacuteziacute blok napaacutejeciacuteho zdroje
vyhodnocovaciacute obvody paměti AD převodniacuteky signaacutelu a vstupniacutevyacutestupniacute obvody Dalšiacutemi
čaacutestmi jsou vysiacutelaciacute deska (Transmitter board) a deska přijiacutemače (Receiver board)
32 Vysiacutelaciacute čaacutest - Tx Postupneacute upouštěniacute od vyacuteroby zastaraleacute verze detektorů IQ2 je důvodem pro zaměřeniacute
teacuteto praacutece na detektory IQ3 Systeacutem IQ3 je multifrekvenčniacute založenyacute na balančniacutem principu
Oproti standardniacutem balančniacutem detektorům je zde vysiacutelaciacute ciacutevka buzena nespojityacutem signaacutelem
Vyacutehodou použitiacute tohoto signaacutelu je snadnaacute změna frekvence možnost řiacutezeniacute vysiacutelaciacuteho vyacutekonu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
18
a celkoveacute zvyacutešeniacute kvality detekce neboť rychlyacutem změnaacutem budiacuteciacuteho proudu odpoviacutedaacute velkaacute
změna magnetickeacuteho indukčniacuteho toku Dle Faradayova indukčniacuteho zaacutekona je velikost
indukovaneacuteho napětiacute daacutena rychlostiacute změny magnetickeacuteho indukčniacuteho toku (31)
tU i ∆
∆Φminus= (31)
Činnost Tx boardu (vysiacutelaciacute desky) je řiacutezena mikrokontrolerem kteryacute komunikuje s
Control boardem seacuteriovyacutem rozhraniacutem Deska umožňuje kontrolu napaacutejeniacute vysiacutelaciacuteho proudu
teploty a přiacutepadneacute přerušeniacute Tx vinutiacute (vysiacutelaciacute ciacutevky) Mikrokontroler řiacutediacute jak vysiacutelaciacute
průběh tak vyhodnocovaciacute obvody ktereacute jsou na Rx boardu (přijiacutemaciacute deska)
Na Tx board jsou přivaacuteděna napětiacute 12 V -12 V proti zemi použiacutevanaacute k buzeniacute Tx
vinutiacute Z kladneacuteho napětiacute se daacutele ziacuteskaacutevaacute napětiacute 33 V a 18 V pro napaacutejeniacute ostatniacutech obvodů
Budiacuteciacute signaacutel je kvůli požadovaneacutemu vysokeacutemu pulsniacutemu vyacutekonu odebiacuteraacuten z kondenzaacutetoroveacute
baterie Velikost odebiacuteraneacuteho proudu je měřena operačniacutem zesilovačem zapojenyacutem jako
převodniacutek IU
Vyacutekonovaacute čaacutest Tx boardu je tvořena čtyřmi MOSFET tranzistory řiacutezenyacutemi
mikrokontrolerem Vyacutekonoveacute tranzistory T1 až T4 jsou zapojeny dle obr 32
Obr 32 Zapojeniacute koncoveacute čaacutesti vysiacutelače
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
19
Vysiacutelaciacute ciacutevka je tvořena pouze jedniacutem zaacutevitem Cu draacutetu ϕ 1 mm jeho indukčnost a kapacita
je vzhledem k jeho vodivosti zanedbatelnaacute a při nižšiacutech frekvenciacutech se tedy chovaacute jako zkrat
Pokud je časovyacute posuv mezi U1 a U2 roven nule pak napětiacute UTX je takeacute rovno nule a Tx
ciacutevkou neteče žaacutednyacute proud obr 33
-12
-8
-4
0
4
8
12
16U1 (V)
-16
-12
-8
-4
0
4
8
12
16
000E+00 100E-05 200E-05 300E-05 400E-05 500E-05 600E-05
čas (s)
U2 (V)
Obr 331 Průběhy signaacutelů U1 a U2 přivaacuteděnyacutech na vyacutevody Tx vinutiacute V detektoru by se dala naměřit pouze elektrickaacute složka pole odpoviacutedajiacuteciacute původniacutemu signaacutelu
Pro detekci kovu je však důležiteacute elektromagnetickeacute pole kteraacute vznikaacute průchodem proudu
vinutiacutem Proudoveacuteho impulsu je dosaženo časovyacutem posunem mezi napětiacutemi U1 a U2
přivaacuteděnyacutemi na svorky Tx vinutiacute V tomto přiacutepadě potečou zkratoveacute proudoveacute pulsy
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
20
odpoviacutedajiacuteciacute připojeneacutemu napětiacute UTX viz obr 34 Vyacutekon detektoru je tedy řiacutezen časovyacutem
posunem mezi průběhy napětiacute U1 a U2 Tomuto časoveacutemu posuvu pak odpoviacutedaacute i velikost
odebiacuteraneacuteho proudu do Tx vinutiacute
-12
-8
-4
0
4
8
12
16U1 (V)
-12
-8
-4
0
4
8
12
16U2 (V)
000E+00 100E-05 200E-05 300E-05 400E-05 500E-05 600E-05
Čas (s)
I (A)
Obr 34 Časově posunutaacute napětiacute U1 U2 přivaacuteděnaacute na vyacutevody Tx vinutiacute a průběh proudu I v Tx vinutiacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
21
33 Přijiacutemaciacute čaacutest - Rx Zaacutekladem přijiacutemaciacute čaacutesti je soustava složenaacute ze dvou paralelně spojenyacutech Rx ciacutevek
podle obr 35 každaacute se dvěma zaacutevity U tohoto uspořaacutedaacuteniacute hraje důležitou roli smysl vinutiacute
Rx ciacutevek (označeniacute počaacutetku a konce vinutiacute) a jejich přesnaacute poloha Tx musiacute prochaacutezet přesně
v jedneacute polovině vzdaacutelenosti l
Obr 35 Geometrickeacute uspořaacutedaacuteniacute je voleno tak že pokud neprochaacuteziacute detektorem kontaminant napětiacute
indukovaneacute napaacutejenou ciacutevkou Tx do Rx ciacutevek je minimaacutelniacute
Jak bylo řečeno v kapitole 32 pro detekci kovu je podstatneacute elektromagnetickeacute pole
Elektrickeacute pole je odstraněno na primaacuterniacutem vinutiacute vstupniacuteho transformaacutetoru TR s dvojityacutem
primaacuterniacutem vinutiacutem zapojenyacutem proti sobě v poměru k sekundaacuterniacutemu vinutiacute 1+130 umiacutestěnyacutem
na Rx boardu Na obraacutezku 36 je zapojeniacute vstupniacuteho obvodu Rx boardu Elektrickaacute složka
pole maacute vůči zemi na obou vyacutevodech Rx ciacutevek stejnyacute průběh Primaacuterniacute vinutiacute TR maacute
vyvedenyacute střed na zem čiacutemž se elektrickaacute složka pole uzemniacute (teče proud) Protože jsou
Rx1 ciacutevka
Rx2 ciacutevka
Tx ciacutevka
l
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
22
průběhy na obou vyacutevodech stejneacute magnetickeacute toky v TR vyvolaneacute proudem působiacute proti sobě
a na sekundaacuterniacute vinutiacute se neindukuje žaacutedneacute napětiacute Dojde-li k narušeniacute magnetickeacuteho pole
uvnitř detekčniacuteho prostoru vznikaacute rozdiacutel naindukovaneacuteho napětiacute v leveacutem a praveacutem vodiči Rx
ciacutevky Tento rozdiacutel napětiacute maacute za naacutesledek tok proudu kteryacute se uzaviacuteraacute přes primaacuterniacute vinutiacute
TR1 a indukuje napětiacute na sekundaacuterniacute straně Toto napětiacute je daacutele zpracovaacutevaacuteno
Obr 36 Vstupniacute obvod Rx boardu
34 Princip vyhodnocovaacuteniacute Signaacutel na sekundaacuterniacutem vinutiacute transformaacutetoru TR je zpracovaacutevaacuten blokem obvodů pro
uacutepravu signaacutelu Ten obsahuje aktivniacute filtr a integračniacute člen s niacutezko-šumovyacutem operačniacutem
zesilovačem Za integračniacutem členem je měřiciacute bod kteryacute je využit při oživovaacuteniacute detektorů
Napětiacute Ub (balance signal) v tomto bodě se zobrazuje na osciloskopu a jeho maximaacutelniacute
hodnota by neměla přesaacutehnout 6 V špička - špička Čiacutem je rozkmit toho napětiacute nižšiacute tiacutem lze
dosaacutehnout vyššiacute citlivosti detektoru (kap 35 Vyvažovaacuteniacute detektoru) Nuloveacuteho rozkmitu
nelze dosaacutehnout mimo jineacute kvůli vyacuterobniacutem toleranciacutem zařiacutezeniacute a nehomogenitaacutem Citlivost
elektronickyacutech čaacutestiacute je velmi vysokaacute a uplatňujiacute se rušiveacute vlivy při jejich činnosti (vliv
teploty mechanickeacute chvěniacute) Napětiacute Ub odpoviacutedaacute vyrovnaacutevaciacutemu proudu v Rx ciacutevkaacutech
Přiacuteklad jeho průběhu bez kontaminantu je na obr 37
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
23
Obr 37 Přiacuteklad průběhu napětiacute Ub
Napětiacute Ub je přivaacuteděno na dva samostatneacute elektronickeacute obvody (řiacutezeneacute usměrňovače)
ovlaacutedaneacute řiacutediacuteciacutemi napětiacutemi z mikrokontroleru (na Tx boardu) Dvě řiacutediacuteciacute napětiacute jednoho
usměrňovače jsou vůči sobě o π posunuty a zaacuteroveň jsou posunuty o π2 proti dvěma řiacutediacuteciacutem
napětiacutem druheacuteho usměrňovače Vyacutesledkem jsou dva napěťoveacute signaacutely (P a Q) ktereacute jsou daacutele
zpracovaacutevaacuteny (integrace zesiacuteleniacute) s možnostiacute ručniacute volby zesiacuteleniacute ve čtyřech stupniacutech
(ovlaacutedaacuteniacute citlivosti detektoru) Tyto signaacutely jsou již nositelem informace a jsou na Control
boardu převedeny do digitaacutelniacute podoby Takto upraveneacute signaacutely jsou vyhodnocovaacuteny
algoritmy v hlavniacutem mikrokontroleru
35 Vyvažovaacuteniacute detektoru Zaacutekladem kvalitniacute a stabilniacute detekce je ciacutevkovyacute systeacutem Aby se dosaacutehlo co nejlepšiacuteho
vyvaacuteženiacute ciacutevek je nutnaacute přesnaacute bytelnaacute a rozměrově staacutelaacute konstrukce Detektory společnosti
Loma Systems sro majiacute ciacutevky uloženeacute ve vyfreacutezovanyacutech draacutežkaacutech a zajištěneacute epoxidovyacutem
lepidlem I přes to je detektor po osazeniacute elektronikou značně nevyvaacuteženyacute balančniacute napětiacute Ub
překračuje požadovanou hodnotu 6 V špička - špička natolik že může dojiacutet i k saturaci
elektronickyacutech obvodů Je tedy nutneacute ciacutevkovyacute systeacutem vyvaacutežit (vybalancovat)
Nejprve se provede hrubeacute laděniacute spočiacutevajiacuteciacute v tvarovaacuteniacute maleacute smyčky Tx vinutiacute v čele
detektoru obr 38
0 T2 T
25 V Ub
-25 V
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
24
Obr 38 Vyvažovaciacute očko na Tx vinutiacute a vlepenyacute pliacutešek uvnitř detekčniacuteho otvoru
Tato smyčka plniacute funkci kompenzačniacuteho vinutiacute po natvarovaacuteniacute je očko zaliteacute epoxidovyacutem
lepidlem U detektorů s vnitřniacute uacutepravou detekčniacuteho otvoru modryacutem epoxidem se do
detekčniacuteho otvoru daacutele vlepujiacute vyvažovaciacute pliacutešky různyacutech tvarů a velikostiacute (od 1 cm2 do 4
cm2) obr 38 ktereacute se naacutesledně zalijiacute do roviny modryacutem epoxidem Jako materiaacutel
vyvažovaciacutech pliacutešků je použita nerezovaacute ocel ANSI 304 (DIN 14301) tloušťky 2 mm Druhyacute
typ detektorů s odolnyacutem plastovyacutem povrchem (typ US) neumožňuje vlepovaacuteniacute pliacutešků
dovnitř detekčniacuteho otvoru Balancovaacuteniacute se tedy provaacutediacute přesnějšiacutem tvarovaacuteniacutem Tx očka
popřiacutepadě vlepovaacuteniacutem pliacutešků v jeho okoliacute
Pro jemneacute doladěniacute se u obou těchto variant (US typ a klasickyacute s modrou epoxidovou
vyacuteplniacute detekčniacuteho otvoru) osazujiacute balančniacute moduly obr 39 ktereacute na plastoveacutem otočneacutem diacutelu
majiacute tuning block o rozměrech cca 05 cm2 z 5 mm tlusteacuteho nerezu Oba balančniacute moduly
umožňujiacute pohyb tuning blocku v okoliacute vyvažovaciacuteho očka
Obr 39 Balančniacute moduly i s kryciacutemi plechy vlevo US vpravo klasickyacute
Tyto moduly nejsou přiacuteliš efektivniacute a sloužiacute pouze k miacuterneacutemu vyvaacuteženiacute Použiacutevajiacute se dva typy
Tuning block
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
25
těchto modulů podle varianty vnitřniacute vyacuteplně detektoru (US typ a klasickyacute s modrou
epoxidovou vyacuteplniacute detekčniacuteho otvoru) Jedniacutem z přijatyacutech naacutevrhů pro vylepšeniacute detektorů s
modrou epoxidovou vyacuteplniacute je použitiacute stejneacuteho balančniacuteho modulu jako u detektoru typu US
Vyacuterobniacute cena US balančniacuteho modulu je podstatně nižšiacute a umožňuje změnu polohy
vyvažovaciacuteho diacutelu nejen po obvodu kružnice ale i změnu vzdaacutelenosti mezi rovinami očka a
tuning bloku Změna teacuteto vzdaacutelenosti se využije v přiacutepadě kdy po osazeniacute detektoru s modrou
epoxidovou pryskyřiciacute balančniacutem modulem dojde ke zhoršeniacute vyvaacuteženiacute ktereacute pouhyacutem
natočeniacutem po kružnici nelze vykompenzovat Použiacutevaacuteniacutem pouze balančniacuteho modulu typu
US by se dosaacutehlo sniacuteženiacute počtu součaacutestek ve vyacuterobniacutem procesu sniacuteženiacute naacutekladů na vyacuterobu
detektoru s modrou epoxidovou vyacuteplniacute detekčniacuteho prostoru a odstranil by se i probleacutem
vznikajiacuteciacute při osazeniacute těchto detektorů balančniacutemi moduly
Dalšiacute naacutevrh se tyacutekal materiaacutelu použiteacuteho na tuning block Snahou bylo zvyacutešit vliv
tuning bloku natolik aby bylo možneacute vynechat kompenzačniacute očko čiacutemž by došlo k urychleniacute
laděniacute Byly testovaacuteny materiaacutely FeNi47ln5 tloušťky 03 mm a FeNi42 tloušťky 04 mm Byl
zvolen tvar kteryacute umožňoval použitiacute staacutevajiacuteciacutech US modulů obr 310 Vliv tuning blocků
se sice zvyacutešil nicmeacuteně ne natolik aby mohlo byacutet vyvažovaciacute očko zcela vynechaacuteno
Obr 310 Prototypy tuning blocků z novyacutech materiaacutelů
36 Vyacutestupniacute kontrola Před samotnou expediciacute detektoru je nutneacute proveacutest kontrolu detekce Kvalita detekce
je ověřovaacutena třemi typy kontaminantů neželeznyacute - NONFE (mosaz) železnyacute - FE (chromovaacute
ocel) a nerezovyacute - SS (ANSI 304) K tomu jsou určeny přiacutepravky na obr 311 a 312 Jednaacute
se o kuličky definovanyacutech průměrů ktereacute jsou zaliteacute v plastovyacutech tyčinkaacutech opatřenyacutech
rozměrovou specifikaciacute kontaminantu Barva tyček odlišuje použityacute typ kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
26
Obr 311 Testovaciacute vzorky pro dopravniacutekoveacute detektory
Obr 312 Testovaciacute vzorky pro farmaceutickeacute detektory
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
27
4 Optimalizace a stiacuten ěniacute detektoru Jedniacutem z bodů teacuteto praacutece je navrženiacute optimalizaciacute průmysloveacuteho detektoru kovu z
hlediska kvality detekce a vyšetřeniacute elektromagnetickeacuteho pole s ohledem na rušiveacute vlivy Z
počaacutetku byly provaacuteděny pokusy se stiacuteněniacutem ciacutevek s ohledem na rušeniacute vnějšiacutem
elektromagnetickyacutem polem Prvniacute uacutevahy vedly k použitiacute stiacuteniacuteciacuteho materiaacutelu s velkou
permeabilitou kteryacute by do sebe soustředil většiacute množstviacute indukčniacutech čar unikajiacuteciacutech do okoliacute
a tiacutem omezil vnějšiacute rušeniacute Na zaacutekladě teacuteto uacutevahy byly testovaacuteny dva materiaacutely FeNi47ln5
tloušťky 03 mm a FeNi42 tloušťky 04 mm ktereacute mohou dosahovat relativniacute permeability až
micror_12106 [5] Těmito pokusy se sice sniacutežilo množstviacute indukčniacutech čar magnetickeacuteho pole
unikajiacuteciacuteho z detektoru ale vlivem přiacuteliš velkeacute permeability bylo ovlivněno i pole uvnitř
detekčniacuteho prostoru kde došlo ke sniacuteženiacute citlivosti Tento naacutevrh měl dalšiacute negativniacute faktory
jako je vysokaacute cena použityacutech materiaacutelů a omezeneacute vyacuterobniacute možnosti nedostačujiacuteciacute šiacuteřkou
paacutesů což by vedlo ke sklaacutedaacuteniacute plechů vedle sebe a tiacutem ke vzniku nehomogenit
Aby byly optimalizace efektivniacute je třeba znaacutet rozloženiacute elektromagnetickeacuteho pole
uvnitř detektoru a vlivy ktereacute na něj působiacute Proto bylo přistoupeno k využitiacute počiacutetačoveacuteho
softwaru Ansys Jednaacute se o profesionaacutelniacute software založenyacute na metodě konečnyacutech prvků Je
určen předevšiacutem pro simulace mechanickeacuteho namaacutehaacuteniacute ale umožňuje i řešeniacute teplotniacutech
elektromagnetickyacutech a sdruženyacutech poliacute [6] Ansys byl vybraacuten předevšiacutem pro možnost řešeniacute i
3D probleacutemů V teacuteto praacuteci bylo z důvodů vyacutepočetniacute naacuteročnosti a velkeacuteho množstviacute
jednotlivyacutech vyacutepočtů přistoupeno k řešeniacute probleacutemu pouze ve dvourozměrneacutem prostoru V
tomto přiacutepadě je řešeno nestacionaacuterniacute magnetickeacute pole ktereacute popisuje rovnice (41) [7]
( ) extr JArotdt
dABArotrot =timesminus+
minus γυγmicro1
(41)
kde
BArot = (42)
A magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel
micro permeabilita
Br remanentniacute indukce
B magnetickaacute indukce
γ měrnaacute elektrickaacute vodivost
ν rychlost pohybu tělesa v magnetickeacutem poli
Jext vektor vnějšiacute proudoveacute hustoty
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
28
41 Vyšet řovaacuteniacute vlivu pozice Rx vinutiacute Nejprve byly provedeny simulace staacutevajiacuteciacuteho zařiacutezeniacute o rozměrech detekčniacuteho otvoru
150 mm x 350 mm Zaacutekladniacute geometrie probleacutemu je na obraacutezku 41 Pro řešeniacute zaacutekladniacuteho
probleacutemu by bylo možneacute použiacutet symetrii modelu pokud však model doplniacuteme o kontaminant
možnost teacuteto symetrie odpadaacute Byly provedeny tři seacuterie vyacutepočtů ktereacute se lišily materiaacutelem
kontaminantu Každaacute seacuterie se sklaacutedala z 24 samostatnyacutech vyacutepočtů ve kteryacutech se postupně
měnila pozice kontaminantu tak jako je tomu při skutečneacute situaci na dopravniacutem paacutesu
Použityacutem APDL skriptem by bylo možneacute řešit i průchody kontaminantu v různyacutech vyacuteškaacutech
detekčniacuteho otvoru Pro potřeby těchto vyacutepočtů byl průchod zvolen středem jelikož je zde
citlivost detektoru nejnižšiacute Nutno poukaacutezat na skutečnost že kontaminant reprezentovanyacute
kružniciacute v řezu detektoru nelze považovat za kulovyacute nyacutebrž za vodič kruhoveacuteho průřezu
stejneacute deacutelky jako Tx respektive Rx vinutiacute Rozmeziacute pohybu kontaminantu bylo od -230 mm
do 230 mm vůči Tx vinutiacute s krokem 20 mm Obdeacutelniacuteky v okoliacute Tx vinutiacute byly vytvořeny za
uacutečelem možnosti zjemněniacute vyacutepočetniacute siacutetě v prostoru Tx a Rx vinutiacute Na obraacutezku 41 nejsou
namodelovaacuteny Rx ciacutevky neboť hodnota naindukovaneacuteho napětiacute byla ziacuteskaacutevaacutena v pěti
různyacutech vyacuteškovyacutech poziciacutech a bylo hodnoceno indukovaneacute napětiacute Ui
Obr 41 Zaacutekladniacute geometrie
nerezovyacute kryt
vodiče Tx vinutiacute
kontaminant
obdeacutelniacuteky vzduchoveacuteho okoliacute s jemnějšiacute vyacutepočetniacute siacutetiacute střed souřadneacuteho
systeacutemu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
29
411 Preprocessing - p řiacuteprava skriptu Nejprve bylo nutneacute zjistit geometrickeacute rozměry a materiaacuteloveacute konstanty zkoumaneacuteho
detektoru Geometrickeacute rozměry byly ziacuteskaacuteny z databaacuteze Solidworks modelů společnosti
Loma Systems sro V kapitole 71 je uacuteryvek APDL skriptu pro tvorbu geometrie
Materiaacutely použiteacute v modelu jsou vzduch vodiče Tx vinutiacute nerezovyacute obal detektoru a
materiaacutely kontaminantů V raacutemci zjednodušeniacute modelu nebyly uvažovaacuteny PVC izolace Tx
vinutiacute samotneacute Tufneloveacute jaacutedro a materiaacutel s niacutemž je prostor mezi jaacutedrem a nerezovyacutem
krytem vyplněn neboť tyto materiaacutely vykazujiacute z pohledu šiacuteřeniacute elektromagnetickeacuteho pole
stejneacute vlastnosti jako vzduch Konkreacutetniacute hodnoty materiaacutelovyacutech konstant viz tabulka 41
odpor Tx vinutiacute nebyl uvažovaacuten neboť jeho plochy byly zatiacuteženy definovanou proudovou
hustotou tudiacutež neniacute možneacute uvažovat přiacutepadně naindukovaneacute viacuteřiveacute proudy Daacutele bylo nutneacute
zvolit a spraacutevně nastavit použiteacute elementy modelu
Tab 41 Materiaacuteloveacute vlastnosti
měrnaacute
permeabilita [-] měrnyacute elektrickyacute
odpor [Ωm]
vzduch 1 -
Tx vinutiacute 1 -
nerezovaacute ocel (ANSI 304 DIN 14301)
1008 [10] 72010-7
neželeznyacute kontaminant (mosaz)
1 75010-8
železnyacute kontaminant (chromovaacute ocel)
400 12010-7
nerezovyacute kontaminant (ANSI 304 DIN 14301) 1008 72010-7
Jako elementy daneacuteho modelu byly zvoleny elementy PLANE53 určeneacute pro řešeniacute
magnetickeacuteho pole Jednaacute se o osmi uzloveacute elementy ktereacute mohou miacutet až čtyři stupně
volnosti na uzel Stupně volnosti mohou byacutet magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel (AZ) časově
integrovanyacute elektrickyacute skalaacuterniacute potenciaacutel (VOLT) elektrickyacute proud (CURR) a
elektromotorickaacute siacutela (EMF) [6] Geometrie elementu na obr 42
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
30
Obr 42 Geometrie elementu PLANE53 [6]
Uacuteryvek koacutedu v kapitole 72 obsahuje definovaacuteniacute materiaacutelovyacutech vlastnostiacute definovaacuteniacute
elementů a jejich nastaveniacute V dalšiacute časti bylo nutneacute jednotliveacute materiaacutely a elementy přiřadit
danyacutem plochaacutem
Daacutele bylo zapotřebiacute nastavit atributy pro automatickeacute siacuteťovaacuteniacute oblasti Je nutneacute aby v
tenkyacutech a malyacutech plochaacutech byla vyššiacute hustota siacutetě než na velkyacutech plochaacutech kde postačuje siacuteť
řidšiacute Velmi důležitaacute je kompatibilita siacutetě proto byla v okoliacute Tx vodičů vytvořena
obdeacutelniacutekovaacute oblast s hustšiacute siacutetiacute viz uacuteryvek koacutedu v přiacuteloze 73
Obr 43 Detailniacute pohled na siacuteť elementů
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
31
V posledniacute čaacutesti preprocessingu byla definovaacutena Dirichletova okrajovaacute podmiacutenka
udaacutevajiacuteciacute magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel roven nule na vnějšiacute hrany vzduchoveacuteho okoliacute a
průběh budiacuteciacute proudoveacute hustoty v Tx vodičiacutech V horniacutem a dolniacutem vodiči měly toky opačnyacute
smysl proto bylo nutneacute vytvořit dva vektory hodnot J1 (obr 44) a mJ1 V posledniacute řadě bylo
provedeno přiřazeniacute průběhů k plochaacutem viz kapitola 74
Obr 44 Průběh proudoveacute hustoty v ploše Tx vodiče
Ansys byl do Solution modu přepnut přiacutekazem SOL kde se provedlo nastaveniacute
analyacutezy a byl spuštěn vyacutepočet viz kapitola 76
412 Postprocessing - ziacuteskaacutevaacuteniacute vyacutesledk ů Ciacutelem teacuteto čaacutesti bylo zjištěniacute průběhů naindukovanyacutech napětiacute Ui v zaacutevislosti na čase
pro různeacute vyacuteškoveacute pozice přijiacutemaciacutech ciacutevek Rx Pro indukovaneacute napětiacute platiacute vztah
( )Vndt
dU i sdotΦminus= (43)
kde
( )TdxBlx
x
Yint sdotsdot=Φ2
1
(44)
n počet zaacutevitů Rx vinutiacute
l deacutelka Rx vinutiacute ve směru osy Z
x1 a x2 šiacuteřka Rx vinutiacute ve směru osy X
BY složka magnetickeacute indukce v ose Y
Zadaacuteniacutem souřadnic dvou bodů se nadefinovala uacutesečka (cesta) na kterou byly s určityacutem
J (Am-2)
kroky vyacutepočtu (-)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
32
krokem zaznamenaacuteny hodnoty magnetickeacute indukce BY Průběh BY v zaacutevislosti na souřadnici X
je na obr 45
Obr 45 Průběh magnetickeacute indukce BY v zaacutevislosti na souřadnici X
Obr 46 Průběh magnetickeacuteho toku Φ v zaacutevislosti na souřadnici X
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
33
Integrovaacuteniacutem průběhu BY se ziacuteskal průběh magnetickeacuteho indukčniacuteho toku Φ obr 46
Magnetickyacute indukčniacute tok Φ je roven určiteacutemu integraacutelu (rovnice 44) průběhu BY obr 45 Z
toho vyplyacutevaacute že magnetickyacute indukčniacute tok je roven posledniacute hodnotě průběhu na obr 46
Tato hodnota se vynaacutesobila deacutelkou Rx vinutiacute Postup vyacutepočtu se opakoval pro všechny pozice
Rx vinutiacute a to v každeacutem kroku transientniacute analyacutezy Tiacutem se ziacuteskala zaacutevislost magnetickeacuteho
indukčniacuteho toku Φ na čase t V programu MS Excel se vynaacutesobil tok počtem zaacutevitů Rx vinutiacute
a byla provedena derivace podle času (rovnice 43) Takto byly zpracovaacuteny vyacutesledky pro
všechny pozice kontaminantu vůči Tx vinutiacute APDL skript pro ziacuteskaacutevaacuteniacute hodnot viz kapitola
76 a v kapitole 77 je vyacutepis makra ktereacute uklaacutedaacute hodnoty do souboru
413 Hodnoceniacute vyacutesledk ů Vypočteneacute hodnoty Ui ve všech pěti vyacuteškovyacutech poziciacutech hrx byly vyneseny do grafů v
zaacutevislosti na čase Pokud se vynesou do jednoho grafu průběhy indukovanyacutech napětiacute pro
každou pozici kontaminantu v daneacute vyacutešce lze sledovat odezvu indukovaneacuteho napětiacute na
polohu kontaminantu Jelikož byly provedeny tři seacuterie vyacutepočtů s různyacutemi kontaminanty lze
porovnat i tvary přijiacutemanyacutech signaacutelu pro jednotliveacute materiaacutely Ciacutelem teacuteto čaacutesti je porovnat
signaacutely ziacuteskaacutevaneacute v různyacutech vyacuteškovyacutech polohaacutech Rx vinutiacute a vybrat nejvhodnějšiacute signaacutel pro
detekci
Na naacutesledujiacuteciacutech grafech jsou znaacutezorněny napěťoveacute průběhy během jedneacute periody v
zaacutevislosti na poloze kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
34
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 47 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 48 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
35
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 49 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 410 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
36
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 411 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 5)
Na obraacutezciacutech 47 až 411 jsou zobrazeny průběhy odpoviacutedajiacuteciacute průchodu železneacuteho
kontaminantu s relativniacute permeablitou 400 a měrnyacutem elektrickyacutem odporem 10210-7 Ωm Na
průběziacutech 47 48 a 411 lze pozorovat sice nižšiacute hodnotu signaacutelu ale celkovaacute deformace
během průchodu kontaminantu je většiacute
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 412 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
37
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 413 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 414 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
38
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 415 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 416 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce5)
Na obraacutezciacutech 412 až 416 jsou zobrazeneacute průběhy odpoviacutedajiacuteciacute průchodu kontaminantu z
nerezu ANSI 304 s relativniacute permeablitou 1008 a měrnyacutem elektrickyacutem odporem 7210-7
Ωm Při porovnaacuteniacute s předchoziacutem kontaminantem je změna signaacutelu nižšiacute což odpoviacutedaacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
39
předpokladům o obtiacutežnějšiacute detekci nerezovyacutech kontaminantů
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 417 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 418 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
40
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 419 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 420 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
41
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 421 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 5)
Na obraacutezciacutech 417 až 421 jsou zobrazeny průběhy odpoviacutedajiacuteciacute neželezneacutemu
kontaminantu (mědi) s parametry relativniacute permeablita 1 a měrnyacute elektrickyacute odpor 7510-8
Ωm Průběh signaacutelu je velmi podobnyacute signaacutelům nerezoveacuteho kontaminantu
Porovnaacuteniacutem všech grafů (obr 47 - obr 422) je obecně vidět že u průběhů ve vyacutešce
3 a 4 je zisk signaacutelu pro všechny modelovaneacute kontaminanty největšiacute Dochaacuteziacute zde ale ke
změně amplitudy pouze v jednom smyslu což z hlediska vyhodnocovaciacutech algoritmů zlepšeniacute
detekce vylučuje Naproti tomu je u signaacutelu ve vyacutešce 5 znatelně vyššiacute amplituda než v
použiacutevaneacute vyacutešce 2 Na zaacutekladě tohoto zjištěniacute bude zhotoven prototyp detektoru za uacutečelem
ověřeniacute teoretickyacutech vyacutesledků
Na obraacutezku 422 je ukaacutezka grafickeacuteho vyacutestupu zobrazujiacuteciacuteho vektory proudoveacute
hustoty naindukovaneacute v nerezoveacutem krytu a v kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
42
Obr 422 Vektory proudovyacutech hustot naindukovanyacutech do kontaminantu a nerezoveacuteho krytu
Obraacutezek 423 zobrazuje kontury magnetickeacuteho pole ve stejneacutem časoveacutem kroku jako obr
422 Pole ktereacute je konturami zobrazeno je tvořeno praacutevě proudovou hustotou obr 422 Je
zde možneacute pozorovat jak se pole deformuje přiacutetomnyacutem kontaminantem
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
43
Obr 423 Kontury magnetickeacuteho vektoroveacuteho potenciaacutelu s viditelnou deformaciacute pole způsobenou
feromagnetickyacutem kontaminantem
42 Vyšet řovaacuteniacute množstviacute vyza řovaneacute energie V teacuteto čaacutesti se vychaacutezelo z předpokladu že intenzita elektromagnetickeacuteho pole uvnitř
detektoru je mnohem většiacute než elektromagnetickyacute šum kteryacute do detektoru vnikaacute z okoliacute
Proto lze předpoklaacutedat že rušeniacute bude způsobeno předevšiacutem deformaciacute vlastniacuteho
vyzařovaneacuteho pole v bliacutezkeacutem okoliacute detektoru To vede ke snaze snižovat množstviacute vlastniacuteho
vyzaacuteřeneacuteho pole ven z detektoru aby nemohlo byacutet deformovaacuteno okolniacutemi předměty
421 Řešeniacute probleacutemu Bylo porovnaacuteno pět variant detektorů bez průchodu kontaminantu Každaacute varianta se
řešila jedniacutem vyacutepočtem z čehož plyne malaacute časovaacute naacuteročnost a proto byly probleacutemy řešeny
bez využitiacute symetrie Prvniacute byl staacutevajiacuteciacute detektor o tloušťce kryciacuteho nerezoveacuteho plechu 3 mm
druhyacute byl stejneacute geometrie ale za použitiacute silnějšiacuteho 5 mm tlusteacuteho nerezu Třetiacute typ měl
tloušťku 3 mm ale na horniacute a dolniacute stěně bylo přidaacuteno dalšiacute stiacuteněniacute z nerezu ve tvaru T (obr
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
44
426) Posledniacute dva naacutevrhy měly pravouacutehlyacute tvar krytu celkově menšiacutech rozměrů z nichž jeden
byl jednoduchyacute o tloušťce 3 mm (obr 427) a druhyacute měl shora a zdola dvojiteacute dno z nerezu
tloušťky 3 mm (obr_428) Touto metodou by se dalo porovnaacutevat mnohem většiacute množstviacute
provedeniacute ktereacute by se mohly lišit i použityacutem materiaacutelem Vzduchoveacute okoliacute detektoru bylo
rozděleno na čtyři sektory v nichž se sečetly hodnoty magnetickeacute energie jednotlivyacutech
elementů v každeacutem kroku analyacutezy a tiacutem se ziacuteskal průběh množstviacute energie v daneacutem prostoru
na čase Objemovaacute hustota magnetickeacute energie byla zjišťovaacutena ve všech plochaacutech daneacute
geometrie a bylo možno sledovat jak se energie v čase přemisťuje
Obr 424 Geometrie varianty 3 mm
Obr 425 Geometrie varianty 5 mm
Obr 426 Geometrie varianty 3 mm-stineni
Obr 427 Geometrie varianty novy 1
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
45
Obr 428 Geometrie varianty novy 2
Přiacuteprava skriptů se od předchoziacutech vyacutepočtů lišila pouze v geometrii jinak byla
principiaacutelně stejnaacute Rozdiacutel byl však v čaacutesti post-processingu (ziacuteskaacutevaacuteniacute vyacutesledků) Aby bylo
možno přistupovat k jednotlivyacutem sektorům musel byacutet každyacute sektor definovaacuten vlastniacutem typem
elementů (elementy byly použity stejneacute jednaacute se pouze o čiacuteslovaacuteniacute) Byly použity osmkraacutet
elementy PLANE53
ET153 Tx vinuti ET253 prostor uvnitr detektoru ET353 nerezovy obal ET453 detekcni prostor ET553 vzduchove okoli - horni ET653 vzduchove okoli - pravy ET753 vzduchove okoli - dolni ET853 vzduchove okoli - levy
Přiacuteklad načiacutetaacuteniacute vyacutesledků pro jeden typ elementů
POST1 prepnutiacute do postprocesoru allsel oznaceni vsech elementu vytvoreni pole pro ukadani hodnot DIMenergie1TABLEkroku11timeE zapsani nulovych hodnot na zacatek vektoru vysledku energie1(00)=0 energie1(01)=0 cyklus ve kterem se nacitaji vysledky jednotlivych kroku simulace doi1kroku1 APPEND 1 i nacteni daneho kroku eseltype1 vybrani elementu typu 1 GET e_count1 ELEM count vraci mnozstvi elementu daneho typu GET e_next ELEM 0 NXTH vraci nejnizsi adresu elementu daneho typu v promenne e_next energ1=0 vynulovani promenne cyklus ktery postupne prochazi vsechy elementy daneho typu doj1e_count11 GET e_energ1 ELEM e_next SENE ulozi do promene e_energ1 mnozstvi energie v elementu s adresou e_next
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
46
GET e_next ELEM e_next NXTH posune adresu elementu o jedna energ1=energ1+e_energ1 pricte mnozstvi energie e_energ1 do kumulativni promnenne energ1 enddo konec vnitrniho cyklu energie1(i0)=i zapise do pole vysledku cislu jirju simulace energie1(i1)=energ1 zapise do pole vysledku mnozstvi energie v cele plose s elementy daneho typu enddo konec vnejsiho cyklu zapis_energ zavolani makra pro zapis vysledku do souboru
422 Hodnoceniacute vyacutesledk ů V jednotlivyacutech sektorech se provedla suma magnetickeacute energie pro každyacute krok
simulace Vyacutesledkem jsou průběhy množstviacute energie v daneacute ploše v zaacutevislosti na krociacutech
simulace (čase) Jednotliveacute varianty byly hodnoceny na zaacutekladě porovnaacuteniacute průběhů se
staacutevajiacuteciacutem detektorem
Energie v Tx vinutiacute
000E+00
100E-03
200E-03
300E-03
400E-03
500E-03
600E-03
700E-03
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 429 Energie v Tx vinutiacute
Na grafu (obr 429) je vidět že množstviacute energie v Tx vinutiacute neniacute zaacutevisleacute na geometrii a je
daacuteno budiacuteciacutem signaacutelem v Tx vinutiacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
47
Energie unit ř detektoru
000E+00
200E-02
400E-02
600E-02
800E-02
100E-01
120E-01
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 430 Energie uvnitř detektoru
Na obr 430 je znaacutezorněno množstviacute energie v prostoru detektoru do ktereacuteho neniacute
započiacutetaacutena detekčniacute oblast ta je zobrazena na obr 432 V teacuteto čaacutesti neniacute pozorovaacutena žaacutednaacute
vyacuteraznaacute změna
Energie v nerezoveacutem obalu
000E+00
500E-05
100E-04
150E-04
200E-04
250E-04
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 431 Energie v nerezoveacutem obalu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
48
Vyacuteraznějšiacute změny se odehraacutevajiacute v nerezoveacutem obalu Nejmenšiacute množstviacute energie je v klasickeacute
3 mm tlusteacute a v 5 mm tlusteacute variantě U klasickeacute varianty se stiacuteněniacutem a u novyacutech naacutevrhů je
naacuterůst způsoben přibliacuteženiacutem nerezu k Tx vinutiacute
Energie v prostoru detek čniacuteho otvoru
000E+00
500E-03
100E-02
150E-02
200E-02
250E-02
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 432 Energie v prostoru detekčniacuteho otvoru
V oblasti detekčniacuteho otvoru je snaha o uchovaacuteniacute co největšiacuteho množstviacute energie neboť
zmenšeniacute energie vede ke sniacuteženiacute odezvy na kontaminant tedy ke sniacuteženiacute citlivosti detektoru
Z obr 432 je patrneacute že geometrickeacute uacutepravy detektoru (3 mm se stiacuteněniacutem novy 1 a novy 2)
vedou ke sniacuteženiacute množstviacute energie v tomto prostoru
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
49
Energie v horniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
100E-07
200E-07
300E-07
400E-07
500E-07
600E-07
700E-07
800E-07
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 433 Energie v horniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Energie v dolniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
100E-07
200E-07
300E-07
400E-07
500E-07
600E-07
700E-07
800E-07
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 434 Energie v dolniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Porovnajiacute-li se obr 433 a 434 je u variant 1 - 3 možneacute pozorovat rozdiacutely mezi horniacute a dolniacute
plochou Je zde na prvniacute pohled vidět jak horniacute oblouk snižuje množstviacute energie unikajiacuteciacute do
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
50
okoliacute Jako uacutečinneacute se z pohledu těchto sektorů jeviacute varianta klasickeacuteho detektoru se stiacuteněniacutem a
novyacute naacutevrh s dvojityacutemi stěnami
Energie v praveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
500E-06
100E-05
150E-05
200E-05
250E-05
300E-05
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 435 Energie v praveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Energie v leveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
500E-06
100E-05
150E-05
200E-05
250E-05
300E-05
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 436 Energie v leveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
51
Pravyacute a levyacute sektor je z důvodů symetrie stejnyacute na obrazciacutech 435 a 436 lze pozorovat tzv
metal free zoacutenu kteraacute se u detektorů udaacutevaacute Jednaacute se o prostor před a za detekčniacutem otvorem
ve ktereacutem se nesmiacute nachaacutezet žaacutednyacute kovovyacute materiaacutel (z důvodu ovlivňovaacuteniacute pole) snahou je
tuto zoacutenu co nejviacutece zmenšit Z grafů je patrneacute že novyacute naacutevrh s dvojityacutemi stěnami vykazuje
nejmenšiacute množstviacute energie v teacuteto oblasti Naopak u klasickeacute varianty se stiacuteněniacutem došlo k
vytlačeniacute pole z vnitřku detektoru praacutevě do těchto okolniacutech zoacuten
Na zaacutekladě těchto poznatků bude provedeno ověřeniacute na skutečnyacutech zařiacutezeniacutech Mezi
použitelneacute varianty připadaacute klasickaacute konstrukce doplněnaacute o stiacuteněniacute a novyacute naacutevrh s dvojityacutemi
stěnami U toho je však velkaacute hrozba sniacuteženiacute citlivosti způsobeneacute menšiacutem množstviacutem energie
v detekčniacutem prostoru
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
52
5 Zaacutevěr Ciacutelem předklaacutedaneacute praacutece je zlepšeniacute činnosti detektorů kovů přiacutepadně uacuteprava
technologie vyacuteroby při současneacutem sniacuteženiacute vyacuterobniacutech naacutekladů Předpokladem uacutespěšnyacutech
naacutevrhů byla podrobnaacute studie činnosti a principu těchto zařiacutezeniacute kteraacute jsou vyacuterobcem po
několik let uacutespěšně prodaacutevaacutena na světovyacutech trziacutech
Na zaacutekladě těchto požadavků byly provedeny některeacute testy ktereacute měly ověřit
předpoklaacutedanaacute zlepšeniacute Nejširšiacute možnosti přinaacutešiacute modelovaacuteniacute magnetickeacuteho pole
průmyslovyacutech detektorů počiacutetačovou simulaciacute kteraacute je zatiacutem schopna řešit zadaneacute probleacutemy
v dvourozměrneacutem prostoru Nejčastěji řešeneacute probleacutemy jsou staacutele spojeny se zaacutekladniacutem
principem činnosti těchto zařiacutezeniacute tj vlivem a působeniacutem kontaminantu na
elektromagnetickeacute pole buzeneacute ciacutevkami uvnitř detektoru a nepřiacuteznivyacute vliv vnějšiacutech rušivyacutech
poliacute např při současneacute činnosti sousedniacutech detektorů Dalšiacutem zdrojem rušivyacutech magnetickyacutech
poliacute může byacutet i činnost a přiacutetomnost různyacutech elektrickyacutech zařiacutezeniacute probleacutem spojenyacute s
vhodnyacutem materiaacutelem a tvarem stiacuteněniacute těchto zařiacutezeniacute
Vzhledem k maximaacutelniacute citlivosti elektronickyacutech obvodů a požadovaneacute pečlivosti při
balancovaacuteniacute (vyvažovaacuteniacute) se vyskytuje probleacutem kteryacute souvisiacute se staacutelostiacute nastaveniacute detektoru
při mechanickeacutem otřesu přiacutepadně odstraněniacute změn ke kteryacutem dochaacuteziacute vlivem dopravy
Dalšiacutem plaacutenovanyacutem krokem je namodelovaacuteniacute probleacutemu v trojrozměrneacutem prostoru od
ktereacuteho je očekaacutevaacuteno zohledněniacute dalšiacutech vlivů a tiacutem zpřesněniacute samotneacuteho vyacutesledku
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
53
6 Použitaacute literatura [1] Internetoveacute straacutenky společnosti Loma Systems sro
httpwwwlomacom_czindexshtml
[2] Haacutejek J Jarchovskyacute Z Detektory kovů - naacutevod na stavbu nakladatelstviacute BEN Praha
2010
[3] Beneda L Detektory kovů bakalaacuteřskaacute praacutece ZČU Plzeň 2010
[4] Internetoveacute straacutenky společnosti Ad controls sro
httpwwwadcontrolsczdetektory_kovu_zakladni_pojmy
[5] KOVOHUTĚ ROKYCANY as COMTES FHT as MATEX sro Průběžnaacute
zpraacuteva k projektu FeNi - čj 1021207 - 32 za rok (2007 - 2009)
[6] Ansys Inc ANSYS HELP Release 130 Dokumentace k programu
[7] Karban P a kolektiv autorů Aplikace teoretickeacute elektrotechniky Skripta ZČU Plzeň
2011
[8] Benešovaacute Z Ulrych B Přiacuteručka pro použitiacute programů ve vyacuteuce teorie
elektromagnetickeacuteho pole Skripta ZČU Plzeň 1997
[9] Loma Systems sro Knowledge Base - Interniacute dokumentace společnosti
[10] Internetoveacute straacutenky společnosti Aerospace specification metals Inc
httpasmmatwebcomsearchSpecificMaterialaspbassnum=MQ304A
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
1
7 Přiacutelohy
71 Tvorba geometrie PREP7 prepnuti do rezimu preprocesingu jj=8 index polohy kontaminantu r1=05e-3 polomer Tx vodice 05 mm r2=15e-3 polomer kontaminantu 15 mm c=90e-3 sirka Rx civek h=1767e-3 vzdalenost mezi Tx vinutim hrx=(h2)+526e-3 zakladni vyskova poloha mezi Rx civkami hss=175e-3 vyska nerezoveho krytu wss=150e-3 sirka nerezoveho krytu tss=3e-3 tloustka nerezove steny hd=h-227e-3 vyska detekcniho otvoru wok=1000e-3 sirka vzduchoveho okoli hok=1000e-3 vyska vzduchoveho okoli wkon=(-250e-3)+(jj20e-3) poloha kontaminantu na ose X tvorba geometrickych bodu nerezoveho krytu K1022589e-30 K2022185e-30 K3-7907e-321208e-30 K4-78e-32085e-30 K57907e-321208e-30 K678e-32085e-30 K7-wsshss0 K8-wss+tsshss-tss0 K9wsshss0 K10wss-tsshss-tss0 K11-wss-hss0 K12-wss+tss-hss+tss0 K13wss-hss0 K14wss-tss-hss+tss0 vytvoreni ploch definovanymi body FLST273 FITEM27 FITEM23 FITEM21 FITEM25 FITEM29 FITEM213 FITEM211 AP51X FLST273 FITEM28 FITEM24 FITEM22 FITEM26 FITEM210 FITEM214 FITEM212 AP51X CYL40h2r1 plocha horniho Tx vodice CYL40-h2r1 ploch dolniho Tx vodice BLC50((h2)+hrx)2100e-310e-3 plocha horniho vzduchoveho okoli Tx vodice BLC50-((h2)+hrx)2100e-310e-3 plocha dolniho vzduchoveho okoli Tx vodice BLC5002wsshd plocha detekcniho ootvoru APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch odstraneni ploch ktere budou sjednoceny se vzduchovym okolim
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
2
FLST255ORDE4 FITEM210 FITEM2-12 FITEM215 FITEM218 ADELEP51X BLC500wokhok vytvoreni plochy vzduchoveho okoli APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch CYL4wkon0r2 vytvoreni plochy kontaminantu APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch konec tvorby geometrickeho modelu
72 Definice element ů materiaacutel ů a jejich p řiřazeniacute k plochaacutem definovani materialu MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX11 material 1 Tx permeabilita 1 MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX21 material 2 Air permeabilita 1 MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX31008 material 3 nerezovy kryt SS ANSI 304 permeabilita MPTEMP MPTEMP10 MPDATARSVX372e-7 material 3 nerezoovy kryt SS Ansi 304 rezistivita MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX4400 material 4 Kontaminant permeabilita MPTEMP MPTEMP10 MPDATARSVX4102e-7 material 4 Kontaminant rezistivita definovani elementu ET153 Tx civky ET253 Vzduch ET353 nerezovy kryt ET453 kontaminant nastaveni elementu KEYOPT110 Tx civky KEYOPT120 KEYOPT130 KEYOPT140 KEYOPT150 KEYOPT170 KEYOPT210 Air KEYOPT220 KEYOPT230 KEYOPT240 KEYOPT250 KEYOPT270 KEYOPT310 SS KEYOPT320 KEYOPT330 KEYOPT340 KEYOPT350
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
3
KEYOPT370 KEYOPT410 kontaminant KEYOPT420 KEYOPT430 KEYOPT440 KEYOPT450 KEYOPT470 prirazeni elementu a materialum k plocham FLST525ORDE2 Tx FITEM58 FITEM5-9 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 1 1 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 FLST535ORDE3 Air FITEM53 FITEM516 FITEM5-17 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 2 2 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 FLST525ORDE2 SS FITEM513 FITEM5-14 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 3 3 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 CM_YAREA kontaminant ASEL 1 CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 4 4 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
4
73 Siacuteťovaacuteniacute oblastiacute FLST275ORDE7 FITEM21 FITEM28 FITEM2-9 FITEM213 FITEM2-14 FITEM216 FITEM2-17 AESIZEP51X00005 nastaveni delky steny elementu 00005 m FLST215ORDE1 FITEM23 AESIZEP51X001 nastaveni delky steny elementu 001 m MSHAPE12D nastaveni 2D trojuhelnikove site MSHKEY0 FLST585ORDE8 FITEM51 FITEM53 FITEM58 FITEM5-9 FITEM513 FITEM5-14 FITEM516 FITEM5-17 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CHKMSHAREA CMSELS_Y AMESH_Y1 spusteni automatickeho sitovani CMDELE_Y CMDELE_Y1 CMDELE_Y2
74 Okrajovaacute podmiacutenka a nastaveniacute budiciacuteho pr ůběhu okrajova podminka FLST244ORDE4 FITEM214 FITEM212 FITEM27 FITEM25 DLP51X AZ0 nastaveni zatizeni parametry budici proudove hustoty f=35e3 frekvence signalu [Hz] part=600 pocet kroku signalu T_min=0 pocatek casove osy T_max=1f konec casove osy dt=T_maxpart casovy krok parametry prudove hustoty pi=4atan(1) s=pir12 I=600sqrt(2) N1=1 J1_a=IN1s definovani vzestupne casti pulsu tau=3 DIMJexTABLE5011timeJ Jex(11)=0
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
5
Jex(10)=0 doi2501 Jex(i1)=(J1_a)(1-exp(-itau)) Jex(i0)=(i) enddo definovani sestupne casti pulsu tau=3 DIMJex1TABLE5011timeJ Jex1(11)=J1_a Jex1(10)=0 doi2501 Jex1(i1)=(J1_a)(exp(-itau)) Jex1(i0)=(i) enddo sestaveni celeho pulsu DIMJex2TABLE10011timeJ Jex2(11)=0 Jex2(10)=0 doi2501 Jex2(i1)=Jex(i1) Jex2(i0)=(i) enddo doi511001 Jex2(i1)=Jex1(i-501) Jex2(i0)=(i) enddo priprava nulovych vektoru kladneho a zaporneho prubehu J DIMJ1TABLE60011timeJ DIMmJ1TABLE60011timeJ doi16001 J1(i0)=(i-1)dt time J1(i1)=0 J mJ1(i0)=(i-1)dt time mJ1(i1)=0 -J enddo vlozeni prvniho pulsu doi11001 J1(i1)=Jex2(i1) mJ1(i1)=-Jex2(i1) enddo vlozeni druheho pulsu doi3004001 J1(i1)=-Jex2(i-3001) mJ1(i1)=Jex2(i-3001) enddo prirazeni prubehu k plocham PREP7 FLST215ORDE1 FITEM28 BFAP51XJSJ1 FLST215ORDE1 FITEM29 BFAP51XJSmJ1
75 Nastaveniacute analyacutezy SOL prepnuti do Solution modu - nastaveni analyzy kroku=300 pocet kroku simulace ANTYPE4 TRNOPTFULL
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
6
NSUBSTkroku00 OUTRESERASE OUTRESALL1 TIMET_max solve spusti vypocet ulohy
76 Postprocessing POST1 prepne do Preprocesing modu krokyb=200 pocet kroku na delku coilgapu L=03 delka Rx snimace hrx1=(h2)+10e-3 jednotlive vyskove pozice Rx vinuti hrx2=(h2)+526e-3 hrx3=(h2) hrx4=((h2)-526e-3) hrx5=((h2)-10e-3) vytvoreni pole hodnot - 10 sloupcu x 300 radku sloupce odpovidaji poctu jednotlivych civek 2x5 (5 poloh horni a dolni civka) DIMTOKTABLEkroku101SUBSTEP TOK(00)=0 TOK(01)=0 TOK(02)=0 TOK(03)=0 TOK(04)=0 TOK(05)=0 TOK(06)=0 TOK(07)=0 TOK(08)=0 TOK(09)=0 TOK(010)=0 dok1kroku1 hlavni cyklus pocet cyklu odpovida poctu kroku analyzy APPEND 1 k nacteni k-teho kroku analyzy tato cast kodu je nutna pro kazdou civku zvlast (10x se opakuje) PATHHORNI26krokyb-1 definovani cesty horni civky PPATH10-c2hrx10 levy koncovy bod PPATH20c2hrx10 pravy koncovy bod PDEF BYAVG namapovani Y-slozky magneticke indukce B PCALCINTGINT_HORBYXGL vypocet integralu z By podle dX PBCPATH 0 PAGETHORNI1_TABL ulozeni hodnot ziskanych na definovane ceste do pole HORNI1_ PADELALL smazani cesty i s hodnotamy (pole HORNI1_ zustava) konec opakujici se casti prirazovani posledni hodnoty integralu do prislusneho pole vysledku TOK(k0)=k casova osa TOK(k1)=HORNI1_(krokyb6) TOK(k2)=DOLNI1_(krokyb6) TOK(k3)=HORNI2_(krokyb6) TOK(k4)=DOLNI2_(krokyb6) TOK(k5)=HORNI3_(krokyb6) TOK(k6)=DOLNI3_(krokyb6) TOK(k7)=HORNI4_(krokyb6) TOK(k8)=DOLNI4_(krokyb6) TOK(k9)=HORNI5_(krokyb6) TOK(k10)=DOLNI5_(krokyb6) DELPRM_ smaze vsechny pole vysledku koncici znakem _ enddo konec cyklu zapis_tok odkaz na skript pro zapsani pole vysledku do souboru txt
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
7
77 Makro Vyacutepis makra ktereacute uklaacutedaacute hodnoty do souboru tok_fitxt
MWRITETOK(111)tok_fitxt vytvori soubor tok_fitxt a ulozi do
nej matici vysletku TOK
(10E135) urcuje format zapisu hodnot - 10
sloupcu cisel o celkove delce 13ti
znaku z toho 5 za desetinou teckou
CFCLOS uzavre soubor
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
8
Eviden čniacute list
Souhlasiacutem s tiacutem aby moje bakalaacuteřskaacute praacutece byla půjčovaacutena k prezenčniacutemu studiu v
Univerzitniacute knihově ZČU v Plzni
Datum Podpis
Uživatel stvrzuje svyacutem čitelnyacutem podpisem že tuto bakalaacuteřskou praacuteci použil ke studijniacutem
uacutečelům a prohlašuje že ji uvede mezi použityacutemi prameny
Jmeacuteno Fakultakatedra Datum Podpis
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
Anotace
Ciacutele teacuteto diplomoveacute praacutece jsou zaměřeny na specifickou skupinu detektorů kovů a to na
detektory průmysloveacute V uacutevodu je popsaacuten princip využiacutevanyacute v těchto zařiacutezeniacutech a jeho možneacute
obměny Tato praacutece vznikla diacuteky spolupraacuteci se společnostiacute Loma Systems sro Dalšiacute čaacutestiacute
praacutece je popis zařiacutezeniacute teacuteto společnosti a naacutevrh optimalizace těchto zařiacutezeniacute Hlavniacutem bodem
bylo vyšetřit průběh magnetickeacuteho pole v detektoru a jeho okoliacute s ohledem na efektivniacute
stiacuteněniacute
Kliacute čovaacute slova
Průmyslovyacute detektor kovu vysiacutelaciacute ciacutevka přijiacutemaciacute ciacutevka magnetickeacute pole elektrickeacute pole
simulace poliacute Ansys citlivost rušeniacute detektoru
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
Abstract
The objectives of this thesis are focused on a specific group of metal detectors the industry
metal detectors There are the principles used in these devices and their possible variations
described in the introduction This thesis was developed in collaboration with Loma Systems
Inc company Another part is a description of the companys detector and proposal of design
optimization of these devices The main point was to investigate the distribution of the
magnetic field in the detector and its area with concern to the effective shielding
Key words
Industry metal detector transmitter coil receiver coil magnetic field electric field
simulation of fields Ansys sensitivity disturbance of detector
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
Prohlaacutešeniacute
Předklaacutedaacutem tiacutemto k posouzeniacute a obhajobě diplomovou praacuteci zpracovanou na zaacutevěr studia na
Fakultě elektrotechnickeacute Zaacutepadočeskeacute univerzity v Plzni
Prohlašuji že jsem tuto diplomovou praacuteci vypracoval samostatně s použitiacutem odborneacute
literatury a pramenů uvedenyacutech v seznamu kteryacute je součaacutestiacute teacuteto diplomoveacute praacutece
Daacutele prohlašuji že veškeryacute software použityacute při řešeniacute teacuteto diplomoveacute praacutece je legaacutelniacute
V Plzni dne 952012 Jmeacuteno přiacutejmeniacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
Poděkovaacuteniacute
Tiacutemto bych raacuted poděkoval vedouciacutemu bakalaacuteřskeacute praacutece doc Ing Vlastimilu Beranovi CSc
za cenneacute rady připomiacutenky a metodickeacute vedeniacute praacutece daacutele panu Ing Vladimiacuteru Kindlovi
PhD a Ing Jindřichu Kňourkovi za pomoc s programem Ansys společnosti Loma Systems
sro za poskytnutiacute materiaacutelů jejich zařiacutezeniacute a celkoveacuteho zaacutezemiacute pro řešeniacute teacuteto praacutece a v
neposledniacute řadě bych chtěl velmi ocenit přiacutestup k vyacutepočetniacutem kapacitaacutem MetaCentra
poskytovanyacutech v raacutemci programu Projekty velkyacutech infrastruktur pro vyacutezkum vyacutevoj a
inovace LM2010005 financovaacuten Ministerstvem školstviacute mlaacutedeže a tělovyacutechovy Českeacute
republiky
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
8
Obsah SEZNAM SYMBOL Ů 9
UacuteVOD 10
1 ZAacuteKLADNIacute FYZIKAacuteLNIacute PRINCIPY DETEKTOR Ů KOVU11
2 PRINCIPY AKTIVNIacuteCH ELEKTROMAGNETICKYacuteCH DETEKTOR Ů KOVU 12
21 PRINCIP BALANČNIacuteCH DETEKTORŮ12
3 ZAŘIacuteZENIacute SPOLEČNOSTI LOMA SYSTEMS SRO 16
31 OBECNEacute INFORMACE17 32 VYSIacuteLACIacute ČAacuteST - TX 17 33 PŘIJIacuteMACIacute ČAacuteST - RX 21 34 PRINCIP VYHODNOCOVAacuteNIacute22 35 VYVAŽOVAacuteNIacute DETEKTORU 23 36 VYacuteSTUPNIacute KONTROLA 25
4 OPTIMALIZACE A STIacuteN ĚNIacute DETEKTORU 27
41 VYŠETŘOVAacuteNIacute VLIVU POZICE RX VINUTIacute 28 411 Preprocessing - přiacuteprava skriptu 29 412 Postprocessing - ziacuteskaacutevaacuteniacute vyacutesledků 31 413 Hodnoceniacute vyacutesledků 33
42 VYŠETŘOVAacuteNIacute MNOŽSTVIacute VYZAŘOVANEacute ENERGIE43 421 Řešeniacute probleacutemu43 422 Hodnoceniacute vyacutesledků 46
5 ZAacuteVĚR 52
6 POUŽITAacute LITERATURA53
7 PŘIacuteLOHY1
71 TVORBA GEOMETRIE1 72 DEFINICE ELEMENTŮ MATERIAacuteLŮ A JEJICH PŘIŘAZENIacute K PLOCHAacuteM 2 73 SIacuteŤOVAacuteNIacute OBLASTIacute 4 74 OKRAJOVAacute PODMIacuteNKA A NASTAVENIacute BUDICIacuteHO PRŮBĚHU 4 75 NASTAVENIacute ANALYacuteZY 5 76 POSTPROCESSING6 77 MAKRO 7
EVIDENČNIacute LIST 8
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
9
Seznam symbol ů DK (-)helliphelliphelliphelliphellip detektor kovů
f (Hz)helliphelliphelliphellip frekvence
ω (s-1)helliphelliphelliphelliphellip uacutehlovaacute rychlost (frekvence)
ρ (Ωm)helliphelliphelliphellip měrnyacute odpor
micro0 (Hm-1)helliphelliphellip permeabilita vakua (4π10-7)
micror (-)helliphelliphelliphelliphellip poměrnaacute permeabilita
TRhelliphelliphelliphelliphelliphellip transformaacutetor
C (F)helliphelliphelliphelliphellip kapacita
Txhelliphelliphelliphelliphelliphellip transmitter - vysiacutelač
Rxhelliphelliphelliphelliphelliphellip receiver - přijiacutemač
SShelliphelliphelliphelliphellip stainless steel - nerezovaacute ocel
IQ2helliphelliphelliphelliphellip model detektoru společnosti Loma Systems sro
IQ3helliphelliphelliphelliphellip novějšiacute model detektoru společnosti Loma Systems sro
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
10
Uacutevod Po zveřejněniacute bakalaacuteřskeacute praacutece Detektory kovů projevila společnost Loma Systems
sro zaacutejem o spolupraacuteci v oblasti vyacuteroby a vyacutevoje průmyslovyacutech detektorů kovu
Společnosti Loma a Cintex byly založeny před 30 lety a jsou předniacutemi světovyacutemi
producenty v oblasti potravinovyacutech farmaceutickyacutech a textilniacutech kontrolniacutech systeacutemů ndash
detektorů kovu rentgenoveacute kontroly a zařiacutezeniacute kontrolniacuteho vaacuteženiacute Sveacute prestižniacute postaveniacute
ziacuteskaly diacuteky sveacute trvaleacute kvalitě a pokročilyacutem technologiiacutem což je vyacutesledkem neustaacuteleacuteho a
rozsaacutehleacuteho vyacutezkumneacuteho a vyacutevojoveacuteho programu
Hlavniacute siacutedlo je ve Farnborough ve Velkeacute Britaacutenii Vyacutezkumnaacute a vyacutevojovaacute centra jsou
jak ve Velkeacute Britaacutenii tak v Chicagu ve Spojenyacutech staacutetech a nyniacute se zřizuje i zde v Českeacute
republice Většina vyacuteroby je ve Velkeacute Britaacutenii a Chicagu nyniacute se postupně přesouvaacute do nově
zřiacutezeneacute provozovny v Českeacute republice (Dobřany) Společnost maacute takeacute přiacutemeacute prodejniacute a
servisniacute zastoupeniacute ve Francii Německu Nizozemiacute Čiacuteně Kanadě a USA Mimo tyto oblasti
těsně spolupracuje s distributory a podiacuteliacute se vyacuterobou a dodaacutevkami součaacutestek pro vyacuterobce ve
viacutece než 35 zemiacutech po celeacutem světě aby zajistila že se zaacutekazniacutekům dostaacutevaacute plneacuteho servisu a
podpory ať už se nachaacutezejiacute kdekoliv [1]
Ciacutelem společnosti je vytvořeniacute kolektivu pracovniacuteků v ČR kteřiacute se již v teorii detekce
kovů orientujiacute a jsou schopni pracovat na probleacutemech a slabyacutech straacutenkaacutech vyacuteroby a podiacutelet se
na vyacutevoji novyacutech detektorů Po dohodě byl vymezen okruh probleacutemů ve kteryacutech by bylo
vhodneacute proveacutest určitaacute zlepšeniacute jak po straacutence technickeacute tak technologickeacute s ohledem na
ekonomickeacute uacutespory a zlepšeniacute vyacuterobniacuteho procesu
V teacuteto praacuteci je uveden popis principu staacutevajiacuteciacuteho zařiacutezeniacute společnosti Loma Systems
sro postup vyšetřovaacuteniacute magnetickeacuteho pole tohoto zařiacutezeniacute a naacutevrh optimalizace z pohledu
zlepšeniacute kvality detekce a stiacuteněniacute elektromagnetickeacuteho pole
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
11
1 Zaacutekladniacute fyzikaacutelniacute principy detektor ů kovu Principy detektorů kovů jsou založeny na využiacutevaacuteniacute specifickyacutech vlastnostiacute kovů
Kovy se od okolniacutech materiaacutelů lišiacute hlavně
bull měrnyacutem elektrickyacutem odporem
bull magnetickyacutemi vlastnostmi
Většina hledanyacutech objektů je energeticky pasivniacute proto je pro jejich detekci potřeba
energii dodaacutevat Dodaacutevanaacute energie je většinou vyzařovaacutena detektorem čaacutestiacute kteraacute maacute funkci
vysiacutelače Vysiacutelanaacute energie může byacutet akustickaacute na tomto principu funguje sonar nebo
elektromagnetickaacute což je princip většiny detektorů od radarů přes průmysloveacute detektory až k
tzv minohledačkaacutem Zde se využiacutevaacute vyacuteše jmenovanyacutech odlišnostiacute ktereacute majiacute vliv na
pohlcenou odraacuteženou a zbytkovou energii kteraacute je detekovanyacutem objektem vyzařovaacutena zpět
nebo jinyacutem způsobem deformuje elektromagnetickeacute pole Množstviacute pohlceneacute energie je daacuteno
matematickyacutem vyacuterazem (11) kteryacute určuje tzv hloubku vniku δ ve ktereacute se přivedenaacute energie
vlivem viacuteřivyacutech proudů sniacutežiacute na polovinu
( )mmicroωρδ
sdotsdot= 2
(11)
kde micro = micro0 micror
Vyacuteraz (11) je třeba uvažovat při řešeniacute energie pohlceneacute nebo odraacuteženeacute z hlediska volby
frekvence vysiacutelaneacute energie neboť
( )12 minussdotsdot= sfπω (12)
Druhou skupinu tvořiacute objekty ktereacute do sveacuteho okoliacute nějakou formou energii vyzařujiacute
Vyzařovanaacute energie může byacutet
bull akustickaacute (lokalizovaacuteniacute polohy ponorek)
bull elektromagnetickaacute (vyzařovaacuteniacute většiny elektrickyacutech zařiacutezeniacute točivyacutech i netočivyacutech
lokalizovaacuteniacute letadel ndash systeacutem TAMARA)
bull tepelnaacute (termovize tepelneacute navaacuteděniacute řiacutezenyacutech střel)
bull gama zaacuteřeniacute (vyhledaacutevaacuteniacute izotopů)
Zvlaacuteštniacutem přiacutepadem je situace kdy hledanyacute objekt i detektor jsou pasivniacute a k detekci je
využiacutevaacutena změna energie z ciziacuteho zdroje Konkreacutetniacutem přiacutepadem je přiacutestroj nazyacutevanyacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
12
magnetometr kteryacute detekuje objekty na zaacutekladě změny intenzity magnetickeacuteho pole země
vyvolaneacute hledanyacutem objektem Deformaci magnetickeacuteho pole země nezpůsobujiacute pouze kovy
ale i jineacute nehomogenity jako jsou jeskyně dutiny nebo remanentniacute magnetickeacute pole [2]
2 Principy aktivniacutech elektromagnetickyacutech detektor ů kovu
Pro detekci jsou obecně využiacutevaacuteny změny sniacutemaneacute veličiny ktereacute jsou způsobeny
hledanyacutem předmětem materiaacutelem Při vyhledaacutevaacuteniacute objektů elektromagnetickyacutem polem se
využiacutevaacute dvou materiaacutelovyacutech vlastnostiacute způsobujiacuteciacute jeho deformaci Zaprveacute je to deformace
pole feromagnetickyacutem materiaacutelem (např permaloy ferit železo) jehož magnetickaacute vodivost
převyšuje vodivost elektrickou a způsobuje soustředěniacute siločar pole do objektu obr 21
Obr 21 Feromagnetickyacute objekt Obr 22 Neferomagnetickyacute objekt
Materiaacutely u kteryacutech převyšuje elektrickaacute vodivost nad magnetickou (např měď hliniacutek)
uplatňujiacute druhyacute princip a tiacutem je deformace původniacuteho pole polem sekundaacuterniacutem Sekundaacuterniacute
pole vznikaacute viacuteřivyacutemi proudy naindukovanyacutemi ve vodiveacutem předmětu vystaveneacutemu původniacutemu
poli Ze zaacutekona o zachovaacuteniacute energie plyne že sekundaacuterniacute pole působiacute proti původniacutemu
Naacutesledkem tohoto jevu dojde k obtečeniacute objektu siločarami původniacuteho vyzařovaneacuteho pole
obr 22 [3]
21 Princip balan čniacutech detektor ů Většina průmyslovyacutech detektorů kovu pracuje na balančniacutem principu podrobnyacute popis
ostatniacutech principů je uveden napřiacuteklad ve [3]
Tento princip je založen na vyvaacuteženyacutech (vybalancovanyacutech) ciacutevkaacutech (IB ndash Induction
Balance) Z toho plyne že hledaciacute sonda je složena z minimaacutelně dvou ciacutevek popřiacutepadě dvou
systeacutemů ciacutevek z nichž jeden je vysiacutelaciacute a druhyacute pracuje jako přijiacutemač (Transmitter Receiver
ndash TR) Tyto detektory byacutevajiacute označovaacuteny TR-IB V přiacutepadě dvou ciacutevek je přijiacutemaciacute ciacutevka
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
13
umiacutestěna vzhledem k vysiacutelaciacute ciacutevce tak že naindukovaneacute napětiacute při nepřiacutetomnosti kovu je
rovno nule tzv uspořaacutedaacuteniacute překryacutevanyacutech ciacutevek tvaru D Stejneacuteho efektu lze dosaacutehnou při
pozici ciacutevek vzaacutejemně pootočenyacutech o 90deg Jestliže je na straně přiacutejmu soustava dvou ciacutevek
umiacutestiacute se vzhledem k vysiacutelaciacute ciacutevce tak že v nepřiacutetomnosti kovu se do ciacutevek indukuje stejně
velkeacute napětiacute ktereacute se mezi sebou odečte Rozdiacutelu obou napětiacute na přijiacutemaciacutech ciacutevkaacutech je roven
nule (obr 23)
Obr 23 Uspořaacutedaacuteniacute systeacutemu ciacutevek Jakaacutekoliv deformace pole vysiacutelaciacute ciacutevky maacute za naacutesledek porušeniacute rovnovaacutehy a na přijiacutemaciacute
straně se objeviacute napětiacute indikujiacuteciacute přiacutetomnost kovu Indukovaneacute napětiacute v přijiacutemaciacute ciacutevce lze
matematicky popsat vztahem (21)
( )ϕω +sdotsdot= tAU sin (21)
kde A amplituda signaacutelu
ω uacutehlovaacute frekvence signaacutelu
φ faacutezovyacute posuv oproti vysiacutelaneacutemu signaacutelu
Pokud se pod ciacutevkami nachaacuteziacute elektricky vodivyacute objekt z neferomagnetickeacuteho
materiaacutelu je pole deformovaacuteno sekundaacuterniacutem polem způsobenyacutem viacuteřivyacutemi proudy ktereacute
působiacute proti poli původniacutemu Pak přijiacutemaneacute napětiacute UPN v přijiacutemaciacute ciacutevce bude miacutet maximaacutelniacute
hodnotu v okamžiku největšiacute změny vysiacutelaneacuteho napětiacute UV V přiacutepadě indikace
feromagnetickeacuteho materiaacutelu je indukovaneacute napětiacute UPF ve faacutezi s vysiacutelaciacutem napětiacutem Protože je
v praxi nemožneacute dosaacutehnout absolutniacuteho vyvaacuteženiacute ciacutevek bude v přijiacutemaciacute ciacutevce vždy nějakeacute
maleacute napětiacute Na obr 24 jsou ideaacutelniacute přijiacutemaneacute signaacutely pro různeacute druhy kontaminantů U
obecnyacutech materiaacutelů se ve skutečnosti uplatňujiacute jak feromagnetickeacute vlastnosti tak vodivostniacute
Z tohoto důvodu bude miacutet napětiacute UP indukovaneacute v přijiacutemaciacute ciacutevce faacutezovyacute posuv oproti
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
14
vysiacutelaneacutemu v intervalu
20π
[2]
Obr 24 Průběhy napětiacute UV ndash vysiacutelaneacute napětiacute UPF ndash ideaacutelniacute přijiacutemaneacute napětiacute (feromagnetickyacute materiaacutel) UPN ndash ideaacutelniacute přijiacutemaneacute napětiacute (neferomagnetickyacute materiaacutel) UP ndash skutečneacute přijiacutemaneacute napětiacute [2]
Existujiacute různeacute možnosti dociacuteleniacute nuloveacuteho klidoveacuteho přenosu mezi ciacutevkami Zaprveacute
prostorovyacutem odděleniacutem kdy osy ciacutevek mezi sebou sviacuterajiacute uacutehel 90deg vysiacutelaciacute ciacutevka je uložena
svisle a přijiacutemaciacute ciacutevka vodorovně obr 25 Tyto detektory byly nazyacutevaacuteny bdquoTwo boxldquo [2]
Obr 25 Princip prostoroveacuteho uspořaacutedaacuteniacute 90deg ciacutevek [2]
V druheacutem přiacutepadě jsou obě ciacutevky uloženy vodorovně ale jejich prostoroveacute uspořaacutedaacuteniacute se voliacute
takoveacute aby byla vzaacutejemnaacute indukčnost nulovaacute Toho je dociacuteleno tiacutem že přijiacutemaciacute ciacutevkou
U (V)
t (s)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
15
prochaacuteziacute stejneacute množstviacute siločar vysiacutelaciacute ciacutevky v jednom i druheacutem směru a tiacutem dochaacuteziacute ke
kompenzaci (vyrušeniacute) jejich uacutečinku obr 26
Obr 26 Princip prostoroveacuteho uspořaacutedaacuteniacute překryacutevajiacuteciacutech se ciacutevek [2]
Společnosti vyraacutebějiacuteciacute průmysloveacute detektory kovů majiacute většinou sveacute specifickeacute uspořaacutedaacuteniacute
ciacutevek
Obr 27 Viacutece ciacutevkoveacute uspořaacutedaacuteniacute detektoru společnosti Ad controls sro a jeho skutečneacute provedeniacute [4]
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
16
Obr 28 Třiacute ciacutevkoveacute uspořaacutedaacuteniacute detektoru společnosti Loma Systems sro
Kvalita detektoru je daacutena předevšiacutem ciacutevkovou soustavou a neměnnostiacute jejiacutech vlastnostiacute a daacutele
volbou pracovniacuteho kmitočtu Špičkou mezi dnešniacutemi detektory jsou zařiacutezeniacute umožňujiacuteciacute
činnost při různyacutech budiacuteciacutech kmitočtech Vyacutehodou těchto systeacutemů je možnost použiacutevat viacutece
zařiacutezeniacute bliacutezko u sebe a hlavně možnost použitiacute různyacutech frekvenciacute pro rozdiacutelneacute produkty s
ohledem na citlivost a kvalitu detekce
3 Zařiacutezeniacute spole čnosti Loma Systems sro Podmiacutenkou k dalšiacute vyacutevojoveacute činnosti je podrobnaacute znalost vyraacuteběnyacutech zařiacutezeniacute a
vyacuterobniacutech technologiiacute v daneacutem podniku
Obr 31 Detektor kovů IQ3 s dotykovyacutem ovlaacutedaacuteniacutem společnosti Loma Systems sro [1]
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
17
31 Obecneacute informace Jsou vyraacuteběny dva typy detektorů ktereacute pracujiacute na stejneacutem principu ale lišiacute se
vysiacutelaciacutemi průběhy budiacuteciacuteho napětiacute a možnostiacute pracovat na různyacutech kmitočtech
Staršiacute model označenyacute jako IQ2 je vyraacuteběnyacute ve třech variantaacutech jako farmaceutickyacute
detektor detektor s volnyacutem propadem produktu nebo detektor s produktem dopravovanyacutem
potrubiacutem Posledniacute dva jmenovaneacute jsou takeacute vyraacuteběny na zaacutekladě technologie IQ3 Tento
systeacutem umožňuje činnost detektoru na různyacutech budiacuteciacutech kmitočtech a je použit hlavně u
dopravniacutekovyacutech detektorů Detektor IQ2 pracuje na neměnneacute frekvenci 1 MHz
Dopravniacutekoveacute detektory jsou vyraacuteběny ve dvou variantaacutech normaacutelniacute (detekčniacute otvor
maacute stěny opatřeneacute vrstvou modreacuteho epoxidu) a detektory pro extreacutemně nepřiacutezniveacute podmiacutenky
(stěny detekčniacuteho otvoru jsou pokryty odolnyacutem plastem) ktereacute odolaacutevajiacute i vysokotlakeacutemu
vodniacutemu čištěniacute Obě varianty jsou vhodneacute i pro použitiacute v potravinaacuteřskeacutem průmyslu
Všechny detektory jsou schopny pracovat při siacuteťoveacutem napětiacute 110115200220230 V
50 nebo 60 Hz 1f 380400 V 5060 Hz 3f a majiacute stupeň krytiacute IP 69K což umožňuje uacutedržbu
vysokotlakyacutemi vodniacutemi čističi Ovlaacutedaacuteniacute a komunikace s detektorem je zajištěna LCD
displejem s tlačiacutetky nebo displejem dotykovyacutem Každyacute detektor je vybaven releacuteovyacutemi
vyacutestupy jimiž je možno ovlaacutedat chod dopravniacuteku vyřazovaciacute systeacutem signalizačniacute lampy či
klakson
Detektor jako takovyacute se sklaacutedaacute z jedneacute čaacutesti kde je jak samotnyacute detekčniacute otvor tak i
veškeraacute elektronika Detekčniacute otvor tvořiacute jaacutedro z tvrzeneacuteho papiacuteru (Tufnol) do ktereacuteho jsou
vlepeny vodiče ciacutevek Stěny detekčniacuteho otvoru jsou opatřeny modryacutem epoxidem nebo biacutelyacutem
polyethylenem (Acetal) kteryacute maacute většiacute mechanickou odolnost Celeacute zařiacutezeniacute je uzavřeno v
obalu z nerezoveacute oceli ANSI 304 (DIN 14301) tloušťky 3 mm Prostor mezi jaacutedrem a
nerezovyacutem obalem je vyplňovaacuten pěnivyacutem epoxidem
Elektronika detektoru obsahuje tři desky plošnyacutech spojů a ovlaacutedaciacute displej Hlavniacute
čaacutestiacute je řiacutediacuteciacute deska (Control board) na ktereacute se nachaacuteziacute blok napaacutejeciacuteho zdroje
vyhodnocovaciacute obvody paměti AD převodniacuteky signaacutelu a vstupniacutevyacutestupniacute obvody Dalšiacutemi
čaacutestmi jsou vysiacutelaciacute deska (Transmitter board) a deska přijiacutemače (Receiver board)
32 Vysiacutelaciacute čaacutest - Tx Postupneacute upouštěniacute od vyacuteroby zastaraleacute verze detektorů IQ2 je důvodem pro zaměřeniacute
teacuteto praacutece na detektory IQ3 Systeacutem IQ3 je multifrekvenčniacute založenyacute na balančniacutem principu
Oproti standardniacutem balančniacutem detektorům je zde vysiacutelaciacute ciacutevka buzena nespojityacutem signaacutelem
Vyacutehodou použitiacute tohoto signaacutelu je snadnaacute změna frekvence možnost řiacutezeniacute vysiacutelaciacuteho vyacutekonu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
18
a celkoveacute zvyacutešeniacute kvality detekce neboť rychlyacutem změnaacutem budiacuteciacuteho proudu odpoviacutedaacute velkaacute
změna magnetickeacuteho indukčniacuteho toku Dle Faradayova indukčniacuteho zaacutekona je velikost
indukovaneacuteho napětiacute daacutena rychlostiacute změny magnetickeacuteho indukčniacuteho toku (31)
tU i ∆
∆Φminus= (31)
Činnost Tx boardu (vysiacutelaciacute desky) je řiacutezena mikrokontrolerem kteryacute komunikuje s
Control boardem seacuteriovyacutem rozhraniacutem Deska umožňuje kontrolu napaacutejeniacute vysiacutelaciacuteho proudu
teploty a přiacutepadneacute přerušeniacute Tx vinutiacute (vysiacutelaciacute ciacutevky) Mikrokontroler řiacutediacute jak vysiacutelaciacute
průběh tak vyhodnocovaciacute obvody ktereacute jsou na Rx boardu (přijiacutemaciacute deska)
Na Tx board jsou přivaacuteděna napětiacute 12 V -12 V proti zemi použiacutevanaacute k buzeniacute Tx
vinutiacute Z kladneacuteho napětiacute se daacutele ziacuteskaacutevaacute napětiacute 33 V a 18 V pro napaacutejeniacute ostatniacutech obvodů
Budiacuteciacute signaacutel je kvůli požadovaneacutemu vysokeacutemu pulsniacutemu vyacutekonu odebiacuteraacuten z kondenzaacutetoroveacute
baterie Velikost odebiacuteraneacuteho proudu je měřena operačniacutem zesilovačem zapojenyacutem jako
převodniacutek IU
Vyacutekonovaacute čaacutest Tx boardu je tvořena čtyřmi MOSFET tranzistory řiacutezenyacutemi
mikrokontrolerem Vyacutekonoveacute tranzistory T1 až T4 jsou zapojeny dle obr 32
Obr 32 Zapojeniacute koncoveacute čaacutesti vysiacutelače
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
19
Vysiacutelaciacute ciacutevka je tvořena pouze jedniacutem zaacutevitem Cu draacutetu ϕ 1 mm jeho indukčnost a kapacita
je vzhledem k jeho vodivosti zanedbatelnaacute a při nižšiacutech frekvenciacutech se tedy chovaacute jako zkrat
Pokud je časovyacute posuv mezi U1 a U2 roven nule pak napětiacute UTX je takeacute rovno nule a Tx
ciacutevkou neteče žaacutednyacute proud obr 33
-12
-8
-4
0
4
8
12
16U1 (V)
-16
-12
-8
-4
0
4
8
12
16
000E+00 100E-05 200E-05 300E-05 400E-05 500E-05 600E-05
čas (s)
U2 (V)
Obr 331 Průběhy signaacutelů U1 a U2 přivaacuteděnyacutech na vyacutevody Tx vinutiacute V detektoru by se dala naměřit pouze elektrickaacute složka pole odpoviacutedajiacuteciacute původniacutemu signaacutelu
Pro detekci kovu je však důležiteacute elektromagnetickeacute pole kteraacute vznikaacute průchodem proudu
vinutiacutem Proudoveacuteho impulsu je dosaženo časovyacutem posunem mezi napětiacutemi U1 a U2
přivaacuteděnyacutemi na svorky Tx vinutiacute V tomto přiacutepadě potečou zkratoveacute proudoveacute pulsy
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
20
odpoviacutedajiacuteciacute připojeneacutemu napětiacute UTX viz obr 34 Vyacutekon detektoru je tedy řiacutezen časovyacutem
posunem mezi průběhy napětiacute U1 a U2 Tomuto časoveacutemu posuvu pak odpoviacutedaacute i velikost
odebiacuteraneacuteho proudu do Tx vinutiacute
-12
-8
-4
0
4
8
12
16U1 (V)
-12
-8
-4
0
4
8
12
16U2 (V)
000E+00 100E-05 200E-05 300E-05 400E-05 500E-05 600E-05
Čas (s)
I (A)
Obr 34 Časově posunutaacute napětiacute U1 U2 přivaacuteděnaacute na vyacutevody Tx vinutiacute a průběh proudu I v Tx vinutiacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
21
33 Přijiacutemaciacute čaacutest - Rx Zaacutekladem přijiacutemaciacute čaacutesti je soustava složenaacute ze dvou paralelně spojenyacutech Rx ciacutevek
podle obr 35 každaacute se dvěma zaacutevity U tohoto uspořaacutedaacuteniacute hraje důležitou roli smysl vinutiacute
Rx ciacutevek (označeniacute počaacutetku a konce vinutiacute) a jejich přesnaacute poloha Tx musiacute prochaacutezet přesně
v jedneacute polovině vzdaacutelenosti l
Obr 35 Geometrickeacute uspořaacutedaacuteniacute je voleno tak že pokud neprochaacuteziacute detektorem kontaminant napětiacute
indukovaneacute napaacutejenou ciacutevkou Tx do Rx ciacutevek je minimaacutelniacute
Jak bylo řečeno v kapitole 32 pro detekci kovu je podstatneacute elektromagnetickeacute pole
Elektrickeacute pole je odstraněno na primaacuterniacutem vinutiacute vstupniacuteho transformaacutetoru TR s dvojityacutem
primaacuterniacutem vinutiacutem zapojenyacutem proti sobě v poměru k sekundaacuterniacutemu vinutiacute 1+130 umiacutestěnyacutem
na Rx boardu Na obraacutezku 36 je zapojeniacute vstupniacuteho obvodu Rx boardu Elektrickaacute složka
pole maacute vůči zemi na obou vyacutevodech Rx ciacutevek stejnyacute průběh Primaacuterniacute vinutiacute TR maacute
vyvedenyacute střed na zem čiacutemž se elektrickaacute složka pole uzemniacute (teče proud) Protože jsou
Rx1 ciacutevka
Rx2 ciacutevka
Tx ciacutevka
l
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
22
průběhy na obou vyacutevodech stejneacute magnetickeacute toky v TR vyvolaneacute proudem působiacute proti sobě
a na sekundaacuterniacute vinutiacute se neindukuje žaacutedneacute napětiacute Dojde-li k narušeniacute magnetickeacuteho pole
uvnitř detekčniacuteho prostoru vznikaacute rozdiacutel naindukovaneacuteho napětiacute v leveacutem a praveacutem vodiči Rx
ciacutevky Tento rozdiacutel napětiacute maacute za naacutesledek tok proudu kteryacute se uzaviacuteraacute přes primaacuterniacute vinutiacute
TR1 a indukuje napětiacute na sekundaacuterniacute straně Toto napětiacute je daacutele zpracovaacutevaacuteno
Obr 36 Vstupniacute obvod Rx boardu
34 Princip vyhodnocovaacuteniacute Signaacutel na sekundaacuterniacutem vinutiacute transformaacutetoru TR je zpracovaacutevaacuten blokem obvodů pro
uacutepravu signaacutelu Ten obsahuje aktivniacute filtr a integračniacute člen s niacutezko-šumovyacutem operačniacutem
zesilovačem Za integračniacutem členem je měřiciacute bod kteryacute je využit při oživovaacuteniacute detektorů
Napětiacute Ub (balance signal) v tomto bodě se zobrazuje na osciloskopu a jeho maximaacutelniacute
hodnota by neměla přesaacutehnout 6 V špička - špička Čiacutem je rozkmit toho napětiacute nižšiacute tiacutem lze
dosaacutehnout vyššiacute citlivosti detektoru (kap 35 Vyvažovaacuteniacute detektoru) Nuloveacuteho rozkmitu
nelze dosaacutehnout mimo jineacute kvůli vyacuterobniacutem toleranciacutem zařiacutezeniacute a nehomogenitaacutem Citlivost
elektronickyacutech čaacutestiacute je velmi vysokaacute a uplatňujiacute se rušiveacute vlivy při jejich činnosti (vliv
teploty mechanickeacute chvěniacute) Napětiacute Ub odpoviacutedaacute vyrovnaacutevaciacutemu proudu v Rx ciacutevkaacutech
Přiacuteklad jeho průběhu bez kontaminantu je na obr 37
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
23
Obr 37 Přiacuteklad průběhu napětiacute Ub
Napětiacute Ub je přivaacuteděno na dva samostatneacute elektronickeacute obvody (řiacutezeneacute usměrňovače)
ovlaacutedaneacute řiacutediacuteciacutemi napětiacutemi z mikrokontroleru (na Tx boardu) Dvě řiacutediacuteciacute napětiacute jednoho
usměrňovače jsou vůči sobě o π posunuty a zaacuteroveň jsou posunuty o π2 proti dvěma řiacutediacuteciacutem
napětiacutem druheacuteho usměrňovače Vyacutesledkem jsou dva napěťoveacute signaacutely (P a Q) ktereacute jsou daacutele
zpracovaacutevaacuteny (integrace zesiacuteleniacute) s možnostiacute ručniacute volby zesiacuteleniacute ve čtyřech stupniacutech
(ovlaacutedaacuteniacute citlivosti detektoru) Tyto signaacutely jsou již nositelem informace a jsou na Control
boardu převedeny do digitaacutelniacute podoby Takto upraveneacute signaacutely jsou vyhodnocovaacuteny
algoritmy v hlavniacutem mikrokontroleru
35 Vyvažovaacuteniacute detektoru Zaacutekladem kvalitniacute a stabilniacute detekce je ciacutevkovyacute systeacutem Aby se dosaacutehlo co nejlepšiacuteho
vyvaacuteženiacute ciacutevek je nutnaacute přesnaacute bytelnaacute a rozměrově staacutelaacute konstrukce Detektory společnosti
Loma Systems sro majiacute ciacutevky uloženeacute ve vyfreacutezovanyacutech draacutežkaacutech a zajištěneacute epoxidovyacutem
lepidlem I přes to je detektor po osazeniacute elektronikou značně nevyvaacuteženyacute balančniacute napětiacute Ub
překračuje požadovanou hodnotu 6 V špička - špička natolik že může dojiacutet i k saturaci
elektronickyacutech obvodů Je tedy nutneacute ciacutevkovyacute systeacutem vyvaacutežit (vybalancovat)
Nejprve se provede hrubeacute laděniacute spočiacutevajiacuteciacute v tvarovaacuteniacute maleacute smyčky Tx vinutiacute v čele
detektoru obr 38
0 T2 T
25 V Ub
-25 V
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
24
Obr 38 Vyvažovaciacute očko na Tx vinutiacute a vlepenyacute pliacutešek uvnitř detekčniacuteho otvoru
Tato smyčka plniacute funkci kompenzačniacuteho vinutiacute po natvarovaacuteniacute je očko zaliteacute epoxidovyacutem
lepidlem U detektorů s vnitřniacute uacutepravou detekčniacuteho otvoru modryacutem epoxidem se do
detekčniacuteho otvoru daacutele vlepujiacute vyvažovaciacute pliacutešky různyacutech tvarů a velikostiacute (od 1 cm2 do 4
cm2) obr 38 ktereacute se naacutesledně zalijiacute do roviny modryacutem epoxidem Jako materiaacutel
vyvažovaciacutech pliacutešků je použita nerezovaacute ocel ANSI 304 (DIN 14301) tloušťky 2 mm Druhyacute
typ detektorů s odolnyacutem plastovyacutem povrchem (typ US) neumožňuje vlepovaacuteniacute pliacutešků
dovnitř detekčniacuteho otvoru Balancovaacuteniacute se tedy provaacutediacute přesnějšiacutem tvarovaacuteniacutem Tx očka
popřiacutepadě vlepovaacuteniacutem pliacutešků v jeho okoliacute
Pro jemneacute doladěniacute se u obou těchto variant (US typ a klasickyacute s modrou epoxidovou
vyacuteplniacute detekčniacuteho otvoru) osazujiacute balančniacute moduly obr 39 ktereacute na plastoveacutem otočneacutem diacutelu
majiacute tuning block o rozměrech cca 05 cm2 z 5 mm tlusteacuteho nerezu Oba balančniacute moduly
umožňujiacute pohyb tuning blocku v okoliacute vyvažovaciacuteho očka
Obr 39 Balančniacute moduly i s kryciacutemi plechy vlevo US vpravo klasickyacute
Tyto moduly nejsou přiacuteliš efektivniacute a sloužiacute pouze k miacuterneacutemu vyvaacuteženiacute Použiacutevajiacute se dva typy
Tuning block
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
25
těchto modulů podle varianty vnitřniacute vyacuteplně detektoru (US typ a klasickyacute s modrou
epoxidovou vyacuteplniacute detekčniacuteho otvoru) Jedniacutem z přijatyacutech naacutevrhů pro vylepšeniacute detektorů s
modrou epoxidovou vyacuteplniacute je použitiacute stejneacuteho balančniacuteho modulu jako u detektoru typu US
Vyacuterobniacute cena US balančniacuteho modulu je podstatně nižšiacute a umožňuje změnu polohy
vyvažovaciacuteho diacutelu nejen po obvodu kružnice ale i změnu vzdaacutelenosti mezi rovinami očka a
tuning bloku Změna teacuteto vzdaacutelenosti se využije v přiacutepadě kdy po osazeniacute detektoru s modrou
epoxidovou pryskyřiciacute balančniacutem modulem dojde ke zhoršeniacute vyvaacuteženiacute ktereacute pouhyacutem
natočeniacutem po kružnici nelze vykompenzovat Použiacutevaacuteniacutem pouze balančniacuteho modulu typu
US by se dosaacutehlo sniacuteženiacute počtu součaacutestek ve vyacuterobniacutem procesu sniacuteženiacute naacutekladů na vyacuterobu
detektoru s modrou epoxidovou vyacuteplniacute detekčniacuteho prostoru a odstranil by se i probleacutem
vznikajiacuteciacute při osazeniacute těchto detektorů balančniacutemi moduly
Dalšiacute naacutevrh se tyacutekal materiaacutelu použiteacuteho na tuning block Snahou bylo zvyacutešit vliv
tuning bloku natolik aby bylo možneacute vynechat kompenzačniacute očko čiacutemž by došlo k urychleniacute
laděniacute Byly testovaacuteny materiaacutely FeNi47ln5 tloušťky 03 mm a FeNi42 tloušťky 04 mm Byl
zvolen tvar kteryacute umožňoval použitiacute staacutevajiacuteciacutech US modulů obr 310 Vliv tuning blocků
se sice zvyacutešil nicmeacuteně ne natolik aby mohlo byacutet vyvažovaciacute očko zcela vynechaacuteno
Obr 310 Prototypy tuning blocků z novyacutech materiaacutelů
36 Vyacutestupniacute kontrola Před samotnou expediciacute detektoru je nutneacute proveacutest kontrolu detekce Kvalita detekce
je ověřovaacutena třemi typy kontaminantů neželeznyacute - NONFE (mosaz) železnyacute - FE (chromovaacute
ocel) a nerezovyacute - SS (ANSI 304) K tomu jsou určeny přiacutepravky na obr 311 a 312 Jednaacute
se o kuličky definovanyacutech průměrů ktereacute jsou zaliteacute v plastovyacutech tyčinkaacutech opatřenyacutech
rozměrovou specifikaciacute kontaminantu Barva tyček odlišuje použityacute typ kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
26
Obr 311 Testovaciacute vzorky pro dopravniacutekoveacute detektory
Obr 312 Testovaciacute vzorky pro farmaceutickeacute detektory
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
27
4 Optimalizace a stiacuten ěniacute detektoru Jedniacutem z bodů teacuteto praacutece je navrženiacute optimalizaciacute průmysloveacuteho detektoru kovu z
hlediska kvality detekce a vyšetřeniacute elektromagnetickeacuteho pole s ohledem na rušiveacute vlivy Z
počaacutetku byly provaacuteděny pokusy se stiacuteněniacutem ciacutevek s ohledem na rušeniacute vnějšiacutem
elektromagnetickyacutem polem Prvniacute uacutevahy vedly k použitiacute stiacuteniacuteciacuteho materiaacutelu s velkou
permeabilitou kteryacute by do sebe soustředil většiacute množstviacute indukčniacutech čar unikajiacuteciacutech do okoliacute
a tiacutem omezil vnějšiacute rušeniacute Na zaacutekladě teacuteto uacutevahy byly testovaacuteny dva materiaacutely FeNi47ln5
tloušťky 03 mm a FeNi42 tloušťky 04 mm ktereacute mohou dosahovat relativniacute permeability až
micror_12106 [5] Těmito pokusy se sice sniacutežilo množstviacute indukčniacutech čar magnetickeacuteho pole
unikajiacuteciacuteho z detektoru ale vlivem přiacuteliš velkeacute permeability bylo ovlivněno i pole uvnitř
detekčniacuteho prostoru kde došlo ke sniacuteženiacute citlivosti Tento naacutevrh měl dalšiacute negativniacute faktory
jako je vysokaacute cena použityacutech materiaacutelů a omezeneacute vyacuterobniacute možnosti nedostačujiacuteciacute šiacuteřkou
paacutesů což by vedlo ke sklaacutedaacuteniacute plechů vedle sebe a tiacutem ke vzniku nehomogenit
Aby byly optimalizace efektivniacute je třeba znaacutet rozloženiacute elektromagnetickeacuteho pole
uvnitř detektoru a vlivy ktereacute na něj působiacute Proto bylo přistoupeno k využitiacute počiacutetačoveacuteho
softwaru Ansys Jednaacute se o profesionaacutelniacute software založenyacute na metodě konečnyacutech prvků Je
určen předevšiacutem pro simulace mechanickeacuteho namaacutehaacuteniacute ale umožňuje i řešeniacute teplotniacutech
elektromagnetickyacutech a sdruženyacutech poliacute [6] Ansys byl vybraacuten předevšiacutem pro možnost řešeniacute i
3D probleacutemů V teacuteto praacuteci bylo z důvodů vyacutepočetniacute naacuteročnosti a velkeacuteho množstviacute
jednotlivyacutech vyacutepočtů přistoupeno k řešeniacute probleacutemu pouze ve dvourozměrneacutem prostoru V
tomto přiacutepadě je řešeno nestacionaacuterniacute magnetickeacute pole ktereacute popisuje rovnice (41) [7]
( ) extr JArotdt
dABArotrot =timesminus+
minus γυγmicro1
(41)
kde
BArot = (42)
A magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel
micro permeabilita
Br remanentniacute indukce
B magnetickaacute indukce
γ měrnaacute elektrickaacute vodivost
ν rychlost pohybu tělesa v magnetickeacutem poli
Jext vektor vnějšiacute proudoveacute hustoty
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
28
41 Vyšet řovaacuteniacute vlivu pozice Rx vinutiacute Nejprve byly provedeny simulace staacutevajiacuteciacuteho zařiacutezeniacute o rozměrech detekčniacuteho otvoru
150 mm x 350 mm Zaacutekladniacute geometrie probleacutemu je na obraacutezku 41 Pro řešeniacute zaacutekladniacuteho
probleacutemu by bylo možneacute použiacutet symetrii modelu pokud však model doplniacuteme o kontaminant
možnost teacuteto symetrie odpadaacute Byly provedeny tři seacuterie vyacutepočtů ktereacute se lišily materiaacutelem
kontaminantu Každaacute seacuterie se sklaacutedala z 24 samostatnyacutech vyacutepočtů ve kteryacutech se postupně
měnila pozice kontaminantu tak jako je tomu při skutečneacute situaci na dopravniacutem paacutesu
Použityacutem APDL skriptem by bylo možneacute řešit i průchody kontaminantu v různyacutech vyacuteškaacutech
detekčniacuteho otvoru Pro potřeby těchto vyacutepočtů byl průchod zvolen středem jelikož je zde
citlivost detektoru nejnižšiacute Nutno poukaacutezat na skutečnost že kontaminant reprezentovanyacute
kružniciacute v řezu detektoru nelze považovat za kulovyacute nyacutebrž za vodič kruhoveacuteho průřezu
stejneacute deacutelky jako Tx respektive Rx vinutiacute Rozmeziacute pohybu kontaminantu bylo od -230 mm
do 230 mm vůči Tx vinutiacute s krokem 20 mm Obdeacutelniacuteky v okoliacute Tx vinutiacute byly vytvořeny za
uacutečelem možnosti zjemněniacute vyacutepočetniacute siacutetě v prostoru Tx a Rx vinutiacute Na obraacutezku 41 nejsou
namodelovaacuteny Rx ciacutevky neboť hodnota naindukovaneacuteho napětiacute byla ziacuteskaacutevaacutena v pěti
různyacutech vyacuteškovyacutech poziciacutech a bylo hodnoceno indukovaneacute napětiacute Ui
Obr 41 Zaacutekladniacute geometrie
nerezovyacute kryt
vodiče Tx vinutiacute
kontaminant
obdeacutelniacuteky vzduchoveacuteho okoliacute s jemnějšiacute vyacutepočetniacute siacutetiacute střed souřadneacuteho
systeacutemu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
29
411 Preprocessing - p řiacuteprava skriptu Nejprve bylo nutneacute zjistit geometrickeacute rozměry a materiaacuteloveacute konstanty zkoumaneacuteho
detektoru Geometrickeacute rozměry byly ziacuteskaacuteny z databaacuteze Solidworks modelů společnosti
Loma Systems sro V kapitole 71 je uacuteryvek APDL skriptu pro tvorbu geometrie
Materiaacutely použiteacute v modelu jsou vzduch vodiče Tx vinutiacute nerezovyacute obal detektoru a
materiaacutely kontaminantů V raacutemci zjednodušeniacute modelu nebyly uvažovaacuteny PVC izolace Tx
vinutiacute samotneacute Tufneloveacute jaacutedro a materiaacutel s niacutemž je prostor mezi jaacutedrem a nerezovyacutem
krytem vyplněn neboť tyto materiaacutely vykazujiacute z pohledu šiacuteřeniacute elektromagnetickeacuteho pole
stejneacute vlastnosti jako vzduch Konkreacutetniacute hodnoty materiaacutelovyacutech konstant viz tabulka 41
odpor Tx vinutiacute nebyl uvažovaacuten neboť jeho plochy byly zatiacuteženy definovanou proudovou
hustotou tudiacutež neniacute možneacute uvažovat přiacutepadně naindukovaneacute viacuteřiveacute proudy Daacutele bylo nutneacute
zvolit a spraacutevně nastavit použiteacute elementy modelu
Tab 41 Materiaacuteloveacute vlastnosti
měrnaacute
permeabilita [-] měrnyacute elektrickyacute
odpor [Ωm]
vzduch 1 -
Tx vinutiacute 1 -
nerezovaacute ocel (ANSI 304 DIN 14301)
1008 [10] 72010-7
neželeznyacute kontaminant (mosaz)
1 75010-8
železnyacute kontaminant (chromovaacute ocel)
400 12010-7
nerezovyacute kontaminant (ANSI 304 DIN 14301) 1008 72010-7
Jako elementy daneacuteho modelu byly zvoleny elementy PLANE53 určeneacute pro řešeniacute
magnetickeacuteho pole Jednaacute se o osmi uzloveacute elementy ktereacute mohou miacutet až čtyři stupně
volnosti na uzel Stupně volnosti mohou byacutet magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel (AZ) časově
integrovanyacute elektrickyacute skalaacuterniacute potenciaacutel (VOLT) elektrickyacute proud (CURR) a
elektromotorickaacute siacutela (EMF) [6] Geometrie elementu na obr 42
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
30
Obr 42 Geometrie elementu PLANE53 [6]
Uacuteryvek koacutedu v kapitole 72 obsahuje definovaacuteniacute materiaacutelovyacutech vlastnostiacute definovaacuteniacute
elementů a jejich nastaveniacute V dalšiacute časti bylo nutneacute jednotliveacute materiaacutely a elementy přiřadit
danyacutem plochaacutem
Daacutele bylo zapotřebiacute nastavit atributy pro automatickeacute siacuteťovaacuteniacute oblasti Je nutneacute aby v
tenkyacutech a malyacutech plochaacutech byla vyššiacute hustota siacutetě než na velkyacutech plochaacutech kde postačuje siacuteť
řidšiacute Velmi důležitaacute je kompatibilita siacutetě proto byla v okoliacute Tx vodičů vytvořena
obdeacutelniacutekovaacute oblast s hustšiacute siacutetiacute viz uacuteryvek koacutedu v přiacuteloze 73
Obr 43 Detailniacute pohled na siacuteť elementů
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
31
V posledniacute čaacutesti preprocessingu byla definovaacutena Dirichletova okrajovaacute podmiacutenka
udaacutevajiacuteciacute magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel roven nule na vnějšiacute hrany vzduchoveacuteho okoliacute a
průběh budiacuteciacute proudoveacute hustoty v Tx vodičiacutech V horniacutem a dolniacutem vodiči měly toky opačnyacute
smysl proto bylo nutneacute vytvořit dva vektory hodnot J1 (obr 44) a mJ1 V posledniacute řadě bylo
provedeno přiřazeniacute průběhů k plochaacutem viz kapitola 74
Obr 44 Průběh proudoveacute hustoty v ploše Tx vodiče
Ansys byl do Solution modu přepnut přiacutekazem SOL kde se provedlo nastaveniacute
analyacutezy a byl spuštěn vyacutepočet viz kapitola 76
412 Postprocessing - ziacuteskaacutevaacuteniacute vyacutesledk ů Ciacutelem teacuteto čaacutesti bylo zjištěniacute průběhů naindukovanyacutech napětiacute Ui v zaacutevislosti na čase
pro různeacute vyacuteškoveacute pozice přijiacutemaciacutech ciacutevek Rx Pro indukovaneacute napětiacute platiacute vztah
( )Vndt
dU i sdotΦminus= (43)
kde
( )TdxBlx
x
Yint sdotsdot=Φ2
1
(44)
n počet zaacutevitů Rx vinutiacute
l deacutelka Rx vinutiacute ve směru osy Z
x1 a x2 šiacuteřka Rx vinutiacute ve směru osy X
BY složka magnetickeacute indukce v ose Y
Zadaacuteniacutem souřadnic dvou bodů se nadefinovala uacutesečka (cesta) na kterou byly s určityacutem
J (Am-2)
kroky vyacutepočtu (-)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
32
krokem zaznamenaacuteny hodnoty magnetickeacute indukce BY Průběh BY v zaacutevislosti na souřadnici X
je na obr 45
Obr 45 Průběh magnetickeacute indukce BY v zaacutevislosti na souřadnici X
Obr 46 Průběh magnetickeacuteho toku Φ v zaacutevislosti na souřadnici X
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
33
Integrovaacuteniacutem průběhu BY se ziacuteskal průběh magnetickeacuteho indukčniacuteho toku Φ obr 46
Magnetickyacute indukčniacute tok Φ je roven určiteacutemu integraacutelu (rovnice 44) průběhu BY obr 45 Z
toho vyplyacutevaacute že magnetickyacute indukčniacute tok je roven posledniacute hodnotě průběhu na obr 46
Tato hodnota se vynaacutesobila deacutelkou Rx vinutiacute Postup vyacutepočtu se opakoval pro všechny pozice
Rx vinutiacute a to v každeacutem kroku transientniacute analyacutezy Tiacutem se ziacuteskala zaacutevislost magnetickeacuteho
indukčniacuteho toku Φ na čase t V programu MS Excel se vynaacutesobil tok počtem zaacutevitů Rx vinutiacute
a byla provedena derivace podle času (rovnice 43) Takto byly zpracovaacuteny vyacutesledky pro
všechny pozice kontaminantu vůči Tx vinutiacute APDL skript pro ziacuteskaacutevaacuteniacute hodnot viz kapitola
76 a v kapitole 77 je vyacutepis makra ktereacute uklaacutedaacute hodnoty do souboru
413 Hodnoceniacute vyacutesledk ů Vypočteneacute hodnoty Ui ve všech pěti vyacuteškovyacutech poziciacutech hrx byly vyneseny do grafů v
zaacutevislosti na čase Pokud se vynesou do jednoho grafu průběhy indukovanyacutech napětiacute pro
každou pozici kontaminantu v daneacute vyacutešce lze sledovat odezvu indukovaneacuteho napětiacute na
polohu kontaminantu Jelikož byly provedeny tři seacuterie vyacutepočtů s různyacutemi kontaminanty lze
porovnat i tvary přijiacutemanyacutech signaacutelu pro jednotliveacute materiaacutely Ciacutelem teacuteto čaacutesti je porovnat
signaacutely ziacuteskaacutevaneacute v různyacutech vyacuteškovyacutech polohaacutech Rx vinutiacute a vybrat nejvhodnějšiacute signaacutel pro
detekci
Na naacutesledujiacuteciacutech grafech jsou znaacutezorněny napěťoveacute průběhy během jedneacute periody v
zaacutevislosti na poloze kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
34
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 47 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 48 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
35
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 49 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 410 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
36
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 411 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 5)
Na obraacutezciacutech 47 až 411 jsou zobrazeny průběhy odpoviacutedajiacuteciacute průchodu železneacuteho
kontaminantu s relativniacute permeablitou 400 a měrnyacutem elektrickyacutem odporem 10210-7 Ωm Na
průběziacutech 47 48 a 411 lze pozorovat sice nižšiacute hodnotu signaacutelu ale celkovaacute deformace
během průchodu kontaminantu je většiacute
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 412 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
37
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 413 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 414 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
38
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 415 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 416 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce5)
Na obraacutezciacutech 412 až 416 jsou zobrazeneacute průběhy odpoviacutedajiacuteciacute průchodu kontaminantu z
nerezu ANSI 304 s relativniacute permeablitou 1008 a měrnyacutem elektrickyacutem odporem 7210-7
Ωm Při porovnaacuteniacute s předchoziacutem kontaminantem je změna signaacutelu nižšiacute což odpoviacutedaacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
39
předpokladům o obtiacutežnějšiacute detekci nerezovyacutech kontaminantů
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 417 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 418 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
40
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 419 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 420 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
41
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 421 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 5)
Na obraacutezciacutech 417 až 421 jsou zobrazeny průběhy odpoviacutedajiacuteciacute neželezneacutemu
kontaminantu (mědi) s parametry relativniacute permeablita 1 a měrnyacute elektrickyacute odpor 7510-8
Ωm Průběh signaacutelu je velmi podobnyacute signaacutelům nerezoveacuteho kontaminantu
Porovnaacuteniacutem všech grafů (obr 47 - obr 422) je obecně vidět že u průběhů ve vyacutešce
3 a 4 je zisk signaacutelu pro všechny modelovaneacute kontaminanty největšiacute Dochaacuteziacute zde ale ke
změně amplitudy pouze v jednom smyslu což z hlediska vyhodnocovaciacutech algoritmů zlepšeniacute
detekce vylučuje Naproti tomu je u signaacutelu ve vyacutešce 5 znatelně vyššiacute amplituda než v
použiacutevaneacute vyacutešce 2 Na zaacutekladě tohoto zjištěniacute bude zhotoven prototyp detektoru za uacutečelem
ověřeniacute teoretickyacutech vyacutesledků
Na obraacutezku 422 je ukaacutezka grafickeacuteho vyacutestupu zobrazujiacuteciacuteho vektory proudoveacute
hustoty naindukovaneacute v nerezoveacutem krytu a v kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
42
Obr 422 Vektory proudovyacutech hustot naindukovanyacutech do kontaminantu a nerezoveacuteho krytu
Obraacutezek 423 zobrazuje kontury magnetickeacuteho pole ve stejneacutem časoveacutem kroku jako obr
422 Pole ktereacute je konturami zobrazeno je tvořeno praacutevě proudovou hustotou obr 422 Je
zde možneacute pozorovat jak se pole deformuje přiacutetomnyacutem kontaminantem
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
43
Obr 423 Kontury magnetickeacuteho vektoroveacuteho potenciaacutelu s viditelnou deformaciacute pole způsobenou
feromagnetickyacutem kontaminantem
42 Vyšet řovaacuteniacute množstviacute vyza řovaneacute energie V teacuteto čaacutesti se vychaacutezelo z předpokladu že intenzita elektromagnetickeacuteho pole uvnitř
detektoru je mnohem většiacute než elektromagnetickyacute šum kteryacute do detektoru vnikaacute z okoliacute
Proto lze předpoklaacutedat že rušeniacute bude způsobeno předevšiacutem deformaciacute vlastniacuteho
vyzařovaneacuteho pole v bliacutezkeacutem okoliacute detektoru To vede ke snaze snižovat množstviacute vlastniacuteho
vyzaacuteřeneacuteho pole ven z detektoru aby nemohlo byacutet deformovaacuteno okolniacutemi předměty
421 Řešeniacute probleacutemu Bylo porovnaacuteno pět variant detektorů bez průchodu kontaminantu Každaacute varianta se
řešila jedniacutem vyacutepočtem z čehož plyne malaacute časovaacute naacuteročnost a proto byly probleacutemy řešeny
bez využitiacute symetrie Prvniacute byl staacutevajiacuteciacute detektor o tloušťce kryciacuteho nerezoveacuteho plechu 3 mm
druhyacute byl stejneacute geometrie ale za použitiacute silnějšiacuteho 5 mm tlusteacuteho nerezu Třetiacute typ měl
tloušťku 3 mm ale na horniacute a dolniacute stěně bylo přidaacuteno dalšiacute stiacuteněniacute z nerezu ve tvaru T (obr
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
44
426) Posledniacute dva naacutevrhy měly pravouacutehlyacute tvar krytu celkově menšiacutech rozměrů z nichž jeden
byl jednoduchyacute o tloušťce 3 mm (obr 427) a druhyacute měl shora a zdola dvojiteacute dno z nerezu
tloušťky 3 mm (obr_428) Touto metodou by se dalo porovnaacutevat mnohem většiacute množstviacute
provedeniacute ktereacute by se mohly lišit i použityacutem materiaacutelem Vzduchoveacute okoliacute detektoru bylo
rozděleno na čtyři sektory v nichž se sečetly hodnoty magnetickeacute energie jednotlivyacutech
elementů v každeacutem kroku analyacutezy a tiacutem se ziacuteskal průběh množstviacute energie v daneacutem prostoru
na čase Objemovaacute hustota magnetickeacute energie byla zjišťovaacutena ve všech plochaacutech daneacute
geometrie a bylo možno sledovat jak se energie v čase přemisťuje
Obr 424 Geometrie varianty 3 mm
Obr 425 Geometrie varianty 5 mm
Obr 426 Geometrie varianty 3 mm-stineni
Obr 427 Geometrie varianty novy 1
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
45
Obr 428 Geometrie varianty novy 2
Přiacuteprava skriptů se od předchoziacutech vyacutepočtů lišila pouze v geometrii jinak byla
principiaacutelně stejnaacute Rozdiacutel byl však v čaacutesti post-processingu (ziacuteskaacutevaacuteniacute vyacutesledků) Aby bylo
možno přistupovat k jednotlivyacutem sektorům musel byacutet každyacute sektor definovaacuten vlastniacutem typem
elementů (elementy byly použity stejneacute jednaacute se pouze o čiacuteslovaacuteniacute) Byly použity osmkraacutet
elementy PLANE53
ET153 Tx vinuti ET253 prostor uvnitr detektoru ET353 nerezovy obal ET453 detekcni prostor ET553 vzduchove okoli - horni ET653 vzduchove okoli - pravy ET753 vzduchove okoli - dolni ET853 vzduchove okoli - levy
Přiacuteklad načiacutetaacuteniacute vyacutesledků pro jeden typ elementů
POST1 prepnutiacute do postprocesoru allsel oznaceni vsech elementu vytvoreni pole pro ukadani hodnot DIMenergie1TABLEkroku11timeE zapsani nulovych hodnot na zacatek vektoru vysledku energie1(00)=0 energie1(01)=0 cyklus ve kterem se nacitaji vysledky jednotlivych kroku simulace doi1kroku1 APPEND 1 i nacteni daneho kroku eseltype1 vybrani elementu typu 1 GET e_count1 ELEM count vraci mnozstvi elementu daneho typu GET e_next ELEM 0 NXTH vraci nejnizsi adresu elementu daneho typu v promenne e_next energ1=0 vynulovani promenne cyklus ktery postupne prochazi vsechy elementy daneho typu doj1e_count11 GET e_energ1 ELEM e_next SENE ulozi do promene e_energ1 mnozstvi energie v elementu s adresou e_next
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
46
GET e_next ELEM e_next NXTH posune adresu elementu o jedna energ1=energ1+e_energ1 pricte mnozstvi energie e_energ1 do kumulativni promnenne energ1 enddo konec vnitrniho cyklu energie1(i0)=i zapise do pole vysledku cislu jirju simulace energie1(i1)=energ1 zapise do pole vysledku mnozstvi energie v cele plose s elementy daneho typu enddo konec vnejsiho cyklu zapis_energ zavolani makra pro zapis vysledku do souboru
422 Hodnoceniacute vyacutesledk ů V jednotlivyacutech sektorech se provedla suma magnetickeacute energie pro každyacute krok
simulace Vyacutesledkem jsou průběhy množstviacute energie v daneacute ploše v zaacutevislosti na krociacutech
simulace (čase) Jednotliveacute varianty byly hodnoceny na zaacutekladě porovnaacuteniacute průběhů se
staacutevajiacuteciacutem detektorem
Energie v Tx vinutiacute
000E+00
100E-03
200E-03
300E-03
400E-03
500E-03
600E-03
700E-03
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 429 Energie v Tx vinutiacute
Na grafu (obr 429) je vidět že množstviacute energie v Tx vinutiacute neniacute zaacutevisleacute na geometrii a je
daacuteno budiacuteciacutem signaacutelem v Tx vinutiacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
47
Energie unit ř detektoru
000E+00
200E-02
400E-02
600E-02
800E-02
100E-01
120E-01
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 430 Energie uvnitř detektoru
Na obr 430 je znaacutezorněno množstviacute energie v prostoru detektoru do ktereacuteho neniacute
započiacutetaacutena detekčniacute oblast ta je zobrazena na obr 432 V teacuteto čaacutesti neniacute pozorovaacutena žaacutednaacute
vyacuteraznaacute změna
Energie v nerezoveacutem obalu
000E+00
500E-05
100E-04
150E-04
200E-04
250E-04
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 431 Energie v nerezoveacutem obalu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
48
Vyacuteraznějšiacute změny se odehraacutevajiacute v nerezoveacutem obalu Nejmenšiacute množstviacute energie je v klasickeacute
3 mm tlusteacute a v 5 mm tlusteacute variantě U klasickeacute varianty se stiacuteněniacutem a u novyacutech naacutevrhů je
naacuterůst způsoben přibliacuteženiacutem nerezu k Tx vinutiacute
Energie v prostoru detek čniacuteho otvoru
000E+00
500E-03
100E-02
150E-02
200E-02
250E-02
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 432 Energie v prostoru detekčniacuteho otvoru
V oblasti detekčniacuteho otvoru je snaha o uchovaacuteniacute co největšiacuteho množstviacute energie neboť
zmenšeniacute energie vede ke sniacuteženiacute odezvy na kontaminant tedy ke sniacuteženiacute citlivosti detektoru
Z obr 432 je patrneacute že geometrickeacute uacutepravy detektoru (3 mm se stiacuteněniacutem novy 1 a novy 2)
vedou ke sniacuteženiacute množstviacute energie v tomto prostoru
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
49
Energie v horniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
100E-07
200E-07
300E-07
400E-07
500E-07
600E-07
700E-07
800E-07
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 433 Energie v horniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Energie v dolniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
100E-07
200E-07
300E-07
400E-07
500E-07
600E-07
700E-07
800E-07
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 434 Energie v dolniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Porovnajiacute-li se obr 433 a 434 je u variant 1 - 3 možneacute pozorovat rozdiacutely mezi horniacute a dolniacute
plochou Je zde na prvniacute pohled vidět jak horniacute oblouk snižuje množstviacute energie unikajiacuteciacute do
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
50
okoliacute Jako uacutečinneacute se z pohledu těchto sektorů jeviacute varianta klasickeacuteho detektoru se stiacuteněniacutem a
novyacute naacutevrh s dvojityacutemi stěnami
Energie v praveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
500E-06
100E-05
150E-05
200E-05
250E-05
300E-05
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 435 Energie v praveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Energie v leveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
500E-06
100E-05
150E-05
200E-05
250E-05
300E-05
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 436 Energie v leveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
51
Pravyacute a levyacute sektor je z důvodů symetrie stejnyacute na obrazciacutech 435 a 436 lze pozorovat tzv
metal free zoacutenu kteraacute se u detektorů udaacutevaacute Jednaacute se o prostor před a za detekčniacutem otvorem
ve ktereacutem se nesmiacute nachaacutezet žaacutednyacute kovovyacute materiaacutel (z důvodu ovlivňovaacuteniacute pole) snahou je
tuto zoacutenu co nejviacutece zmenšit Z grafů je patrneacute že novyacute naacutevrh s dvojityacutemi stěnami vykazuje
nejmenšiacute množstviacute energie v teacuteto oblasti Naopak u klasickeacute varianty se stiacuteněniacutem došlo k
vytlačeniacute pole z vnitřku detektoru praacutevě do těchto okolniacutech zoacuten
Na zaacutekladě těchto poznatků bude provedeno ověřeniacute na skutečnyacutech zařiacutezeniacutech Mezi
použitelneacute varianty připadaacute klasickaacute konstrukce doplněnaacute o stiacuteněniacute a novyacute naacutevrh s dvojityacutemi
stěnami U toho je však velkaacute hrozba sniacuteženiacute citlivosti způsobeneacute menšiacutem množstviacutem energie
v detekčniacutem prostoru
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
52
5 Zaacutevěr Ciacutelem předklaacutedaneacute praacutece je zlepšeniacute činnosti detektorů kovů přiacutepadně uacuteprava
technologie vyacuteroby při současneacutem sniacuteženiacute vyacuterobniacutech naacutekladů Předpokladem uacutespěšnyacutech
naacutevrhů byla podrobnaacute studie činnosti a principu těchto zařiacutezeniacute kteraacute jsou vyacuterobcem po
několik let uacutespěšně prodaacutevaacutena na světovyacutech trziacutech
Na zaacutekladě těchto požadavků byly provedeny některeacute testy ktereacute měly ověřit
předpoklaacutedanaacute zlepšeniacute Nejširšiacute možnosti přinaacutešiacute modelovaacuteniacute magnetickeacuteho pole
průmyslovyacutech detektorů počiacutetačovou simulaciacute kteraacute je zatiacutem schopna řešit zadaneacute probleacutemy
v dvourozměrneacutem prostoru Nejčastěji řešeneacute probleacutemy jsou staacutele spojeny se zaacutekladniacutem
principem činnosti těchto zařiacutezeniacute tj vlivem a působeniacutem kontaminantu na
elektromagnetickeacute pole buzeneacute ciacutevkami uvnitř detektoru a nepřiacuteznivyacute vliv vnějšiacutech rušivyacutech
poliacute např při současneacute činnosti sousedniacutech detektorů Dalšiacutem zdrojem rušivyacutech magnetickyacutech
poliacute může byacutet i činnost a přiacutetomnost různyacutech elektrickyacutech zařiacutezeniacute probleacutem spojenyacute s
vhodnyacutem materiaacutelem a tvarem stiacuteněniacute těchto zařiacutezeniacute
Vzhledem k maximaacutelniacute citlivosti elektronickyacutech obvodů a požadovaneacute pečlivosti při
balancovaacuteniacute (vyvažovaacuteniacute) se vyskytuje probleacutem kteryacute souvisiacute se staacutelostiacute nastaveniacute detektoru
při mechanickeacutem otřesu přiacutepadně odstraněniacute změn ke kteryacutem dochaacuteziacute vlivem dopravy
Dalšiacutem plaacutenovanyacutem krokem je namodelovaacuteniacute probleacutemu v trojrozměrneacutem prostoru od
ktereacuteho je očekaacutevaacuteno zohledněniacute dalšiacutech vlivů a tiacutem zpřesněniacute samotneacuteho vyacutesledku
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
53
6 Použitaacute literatura [1] Internetoveacute straacutenky společnosti Loma Systems sro
httpwwwlomacom_czindexshtml
[2] Haacutejek J Jarchovskyacute Z Detektory kovů - naacutevod na stavbu nakladatelstviacute BEN Praha
2010
[3] Beneda L Detektory kovů bakalaacuteřskaacute praacutece ZČU Plzeň 2010
[4] Internetoveacute straacutenky společnosti Ad controls sro
httpwwwadcontrolsczdetektory_kovu_zakladni_pojmy
[5] KOVOHUTĚ ROKYCANY as COMTES FHT as MATEX sro Průběžnaacute
zpraacuteva k projektu FeNi - čj 1021207 - 32 za rok (2007 - 2009)
[6] Ansys Inc ANSYS HELP Release 130 Dokumentace k programu
[7] Karban P a kolektiv autorů Aplikace teoretickeacute elektrotechniky Skripta ZČU Plzeň
2011
[8] Benešovaacute Z Ulrych B Přiacuteručka pro použitiacute programů ve vyacuteuce teorie
elektromagnetickeacuteho pole Skripta ZČU Plzeň 1997
[9] Loma Systems sro Knowledge Base - Interniacute dokumentace společnosti
[10] Internetoveacute straacutenky společnosti Aerospace specification metals Inc
httpasmmatwebcomsearchSpecificMaterialaspbassnum=MQ304A
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
1
7 Přiacutelohy
71 Tvorba geometrie PREP7 prepnuti do rezimu preprocesingu jj=8 index polohy kontaminantu r1=05e-3 polomer Tx vodice 05 mm r2=15e-3 polomer kontaminantu 15 mm c=90e-3 sirka Rx civek h=1767e-3 vzdalenost mezi Tx vinutim hrx=(h2)+526e-3 zakladni vyskova poloha mezi Rx civkami hss=175e-3 vyska nerezoveho krytu wss=150e-3 sirka nerezoveho krytu tss=3e-3 tloustka nerezove steny hd=h-227e-3 vyska detekcniho otvoru wok=1000e-3 sirka vzduchoveho okoli hok=1000e-3 vyska vzduchoveho okoli wkon=(-250e-3)+(jj20e-3) poloha kontaminantu na ose X tvorba geometrickych bodu nerezoveho krytu K1022589e-30 K2022185e-30 K3-7907e-321208e-30 K4-78e-32085e-30 K57907e-321208e-30 K678e-32085e-30 K7-wsshss0 K8-wss+tsshss-tss0 K9wsshss0 K10wss-tsshss-tss0 K11-wss-hss0 K12-wss+tss-hss+tss0 K13wss-hss0 K14wss-tss-hss+tss0 vytvoreni ploch definovanymi body FLST273 FITEM27 FITEM23 FITEM21 FITEM25 FITEM29 FITEM213 FITEM211 AP51X FLST273 FITEM28 FITEM24 FITEM22 FITEM26 FITEM210 FITEM214 FITEM212 AP51X CYL40h2r1 plocha horniho Tx vodice CYL40-h2r1 ploch dolniho Tx vodice BLC50((h2)+hrx)2100e-310e-3 plocha horniho vzduchoveho okoli Tx vodice BLC50-((h2)+hrx)2100e-310e-3 plocha dolniho vzduchoveho okoli Tx vodice BLC5002wsshd plocha detekcniho ootvoru APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch odstraneni ploch ktere budou sjednoceny se vzduchovym okolim
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
2
FLST255ORDE4 FITEM210 FITEM2-12 FITEM215 FITEM218 ADELEP51X BLC500wokhok vytvoreni plochy vzduchoveho okoli APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch CYL4wkon0r2 vytvoreni plochy kontaminantu APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch konec tvorby geometrickeho modelu
72 Definice element ů materiaacutel ů a jejich p řiřazeniacute k plochaacutem definovani materialu MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX11 material 1 Tx permeabilita 1 MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX21 material 2 Air permeabilita 1 MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX31008 material 3 nerezovy kryt SS ANSI 304 permeabilita MPTEMP MPTEMP10 MPDATARSVX372e-7 material 3 nerezoovy kryt SS Ansi 304 rezistivita MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX4400 material 4 Kontaminant permeabilita MPTEMP MPTEMP10 MPDATARSVX4102e-7 material 4 Kontaminant rezistivita definovani elementu ET153 Tx civky ET253 Vzduch ET353 nerezovy kryt ET453 kontaminant nastaveni elementu KEYOPT110 Tx civky KEYOPT120 KEYOPT130 KEYOPT140 KEYOPT150 KEYOPT170 KEYOPT210 Air KEYOPT220 KEYOPT230 KEYOPT240 KEYOPT250 KEYOPT270 KEYOPT310 SS KEYOPT320 KEYOPT330 KEYOPT340 KEYOPT350
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
3
KEYOPT370 KEYOPT410 kontaminant KEYOPT420 KEYOPT430 KEYOPT440 KEYOPT450 KEYOPT470 prirazeni elementu a materialum k plocham FLST525ORDE2 Tx FITEM58 FITEM5-9 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 1 1 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 FLST535ORDE3 Air FITEM53 FITEM516 FITEM5-17 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 2 2 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 FLST525ORDE2 SS FITEM513 FITEM5-14 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 3 3 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 CM_YAREA kontaminant ASEL 1 CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 4 4 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
4
73 Siacuteťovaacuteniacute oblastiacute FLST275ORDE7 FITEM21 FITEM28 FITEM2-9 FITEM213 FITEM2-14 FITEM216 FITEM2-17 AESIZEP51X00005 nastaveni delky steny elementu 00005 m FLST215ORDE1 FITEM23 AESIZEP51X001 nastaveni delky steny elementu 001 m MSHAPE12D nastaveni 2D trojuhelnikove site MSHKEY0 FLST585ORDE8 FITEM51 FITEM53 FITEM58 FITEM5-9 FITEM513 FITEM5-14 FITEM516 FITEM5-17 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CHKMSHAREA CMSELS_Y AMESH_Y1 spusteni automatickeho sitovani CMDELE_Y CMDELE_Y1 CMDELE_Y2
74 Okrajovaacute podmiacutenka a nastaveniacute budiciacuteho pr ůběhu okrajova podminka FLST244ORDE4 FITEM214 FITEM212 FITEM27 FITEM25 DLP51X AZ0 nastaveni zatizeni parametry budici proudove hustoty f=35e3 frekvence signalu [Hz] part=600 pocet kroku signalu T_min=0 pocatek casove osy T_max=1f konec casove osy dt=T_maxpart casovy krok parametry prudove hustoty pi=4atan(1) s=pir12 I=600sqrt(2) N1=1 J1_a=IN1s definovani vzestupne casti pulsu tau=3 DIMJexTABLE5011timeJ Jex(11)=0
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
5
Jex(10)=0 doi2501 Jex(i1)=(J1_a)(1-exp(-itau)) Jex(i0)=(i) enddo definovani sestupne casti pulsu tau=3 DIMJex1TABLE5011timeJ Jex1(11)=J1_a Jex1(10)=0 doi2501 Jex1(i1)=(J1_a)(exp(-itau)) Jex1(i0)=(i) enddo sestaveni celeho pulsu DIMJex2TABLE10011timeJ Jex2(11)=0 Jex2(10)=0 doi2501 Jex2(i1)=Jex(i1) Jex2(i0)=(i) enddo doi511001 Jex2(i1)=Jex1(i-501) Jex2(i0)=(i) enddo priprava nulovych vektoru kladneho a zaporneho prubehu J DIMJ1TABLE60011timeJ DIMmJ1TABLE60011timeJ doi16001 J1(i0)=(i-1)dt time J1(i1)=0 J mJ1(i0)=(i-1)dt time mJ1(i1)=0 -J enddo vlozeni prvniho pulsu doi11001 J1(i1)=Jex2(i1) mJ1(i1)=-Jex2(i1) enddo vlozeni druheho pulsu doi3004001 J1(i1)=-Jex2(i-3001) mJ1(i1)=Jex2(i-3001) enddo prirazeni prubehu k plocham PREP7 FLST215ORDE1 FITEM28 BFAP51XJSJ1 FLST215ORDE1 FITEM29 BFAP51XJSmJ1
75 Nastaveniacute analyacutezy SOL prepnuti do Solution modu - nastaveni analyzy kroku=300 pocet kroku simulace ANTYPE4 TRNOPTFULL
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
6
NSUBSTkroku00 OUTRESERASE OUTRESALL1 TIMET_max solve spusti vypocet ulohy
76 Postprocessing POST1 prepne do Preprocesing modu krokyb=200 pocet kroku na delku coilgapu L=03 delka Rx snimace hrx1=(h2)+10e-3 jednotlive vyskove pozice Rx vinuti hrx2=(h2)+526e-3 hrx3=(h2) hrx4=((h2)-526e-3) hrx5=((h2)-10e-3) vytvoreni pole hodnot - 10 sloupcu x 300 radku sloupce odpovidaji poctu jednotlivych civek 2x5 (5 poloh horni a dolni civka) DIMTOKTABLEkroku101SUBSTEP TOK(00)=0 TOK(01)=0 TOK(02)=0 TOK(03)=0 TOK(04)=0 TOK(05)=0 TOK(06)=0 TOK(07)=0 TOK(08)=0 TOK(09)=0 TOK(010)=0 dok1kroku1 hlavni cyklus pocet cyklu odpovida poctu kroku analyzy APPEND 1 k nacteni k-teho kroku analyzy tato cast kodu je nutna pro kazdou civku zvlast (10x se opakuje) PATHHORNI26krokyb-1 definovani cesty horni civky PPATH10-c2hrx10 levy koncovy bod PPATH20c2hrx10 pravy koncovy bod PDEF BYAVG namapovani Y-slozky magneticke indukce B PCALCINTGINT_HORBYXGL vypocet integralu z By podle dX PBCPATH 0 PAGETHORNI1_TABL ulozeni hodnot ziskanych na definovane ceste do pole HORNI1_ PADELALL smazani cesty i s hodnotamy (pole HORNI1_ zustava) konec opakujici se casti prirazovani posledni hodnoty integralu do prislusneho pole vysledku TOK(k0)=k casova osa TOK(k1)=HORNI1_(krokyb6) TOK(k2)=DOLNI1_(krokyb6) TOK(k3)=HORNI2_(krokyb6) TOK(k4)=DOLNI2_(krokyb6) TOK(k5)=HORNI3_(krokyb6) TOK(k6)=DOLNI3_(krokyb6) TOK(k7)=HORNI4_(krokyb6) TOK(k8)=DOLNI4_(krokyb6) TOK(k9)=HORNI5_(krokyb6) TOK(k10)=DOLNI5_(krokyb6) DELPRM_ smaze vsechny pole vysledku koncici znakem _ enddo konec cyklu zapis_tok odkaz na skript pro zapsani pole vysledku do souboru txt
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
7
77 Makro Vyacutepis makra ktereacute uklaacutedaacute hodnoty do souboru tok_fitxt
MWRITETOK(111)tok_fitxt vytvori soubor tok_fitxt a ulozi do
nej matici vysletku TOK
(10E135) urcuje format zapisu hodnot - 10
sloupcu cisel o celkove delce 13ti
znaku z toho 5 za desetinou teckou
CFCLOS uzavre soubor
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
8
Eviden čniacute list
Souhlasiacutem s tiacutem aby moje bakalaacuteřskaacute praacutece byla půjčovaacutena k prezenčniacutemu studiu v
Univerzitniacute knihově ZČU v Plzni
Datum Podpis
Uživatel stvrzuje svyacutem čitelnyacutem podpisem že tuto bakalaacuteřskou praacuteci použil ke studijniacutem
uacutečelům a prohlašuje že ji uvede mezi použityacutemi prameny
Jmeacuteno Fakultakatedra Datum Podpis
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
Anotace
Ciacutele teacuteto diplomoveacute praacutece jsou zaměřeny na specifickou skupinu detektorů kovů a to na
detektory průmysloveacute V uacutevodu je popsaacuten princip využiacutevanyacute v těchto zařiacutezeniacutech a jeho možneacute
obměny Tato praacutece vznikla diacuteky spolupraacuteci se společnostiacute Loma Systems sro Dalšiacute čaacutestiacute
praacutece je popis zařiacutezeniacute teacuteto společnosti a naacutevrh optimalizace těchto zařiacutezeniacute Hlavniacutem bodem
bylo vyšetřit průběh magnetickeacuteho pole v detektoru a jeho okoliacute s ohledem na efektivniacute
stiacuteněniacute
Kliacute čovaacute slova
Průmyslovyacute detektor kovu vysiacutelaciacute ciacutevka přijiacutemaciacute ciacutevka magnetickeacute pole elektrickeacute pole
simulace poliacute Ansys citlivost rušeniacute detektoru
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
Abstract
The objectives of this thesis are focused on a specific group of metal detectors the industry
metal detectors There are the principles used in these devices and their possible variations
described in the introduction This thesis was developed in collaboration with Loma Systems
Inc company Another part is a description of the companys detector and proposal of design
optimization of these devices The main point was to investigate the distribution of the
magnetic field in the detector and its area with concern to the effective shielding
Key words
Industry metal detector transmitter coil receiver coil magnetic field electric field
simulation of fields Ansys sensitivity disturbance of detector
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
Prohlaacutešeniacute
Předklaacutedaacutem tiacutemto k posouzeniacute a obhajobě diplomovou praacuteci zpracovanou na zaacutevěr studia na
Fakultě elektrotechnickeacute Zaacutepadočeskeacute univerzity v Plzni
Prohlašuji že jsem tuto diplomovou praacuteci vypracoval samostatně s použitiacutem odborneacute
literatury a pramenů uvedenyacutech v seznamu kteryacute je součaacutestiacute teacuteto diplomoveacute praacutece
Daacutele prohlašuji že veškeryacute software použityacute při řešeniacute teacuteto diplomoveacute praacutece je legaacutelniacute
V Plzni dne 952012 Jmeacuteno přiacutejmeniacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
Poděkovaacuteniacute
Tiacutemto bych raacuted poděkoval vedouciacutemu bakalaacuteřskeacute praacutece doc Ing Vlastimilu Beranovi CSc
za cenneacute rady připomiacutenky a metodickeacute vedeniacute praacutece daacutele panu Ing Vladimiacuteru Kindlovi
PhD a Ing Jindřichu Kňourkovi za pomoc s programem Ansys společnosti Loma Systems
sro za poskytnutiacute materiaacutelů jejich zařiacutezeniacute a celkoveacuteho zaacutezemiacute pro řešeniacute teacuteto praacutece a v
neposledniacute řadě bych chtěl velmi ocenit přiacutestup k vyacutepočetniacutem kapacitaacutem MetaCentra
poskytovanyacutech v raacutemci programu Projekty velkyacutech infrastruktur pro vyacutezkum vyacutevoj a
inovace LM2010005 financovaacuten Ministerstvem školstviacute mlaacutedeže a tělovyacutechovy Českeacute
republiky
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
8
Obsah SEZNAM SYMBOL Ů 9
UacuteVOD 10
1 ZAacuteKLADNIacute FYZIKAacuteLNIacute PRINCIPY DETEKTOR Ů KOVU11
2 PRINCIPY AKTIVNIacuteCH ELEKTROMAGNETICKYacuteCH DETEKTOR Ů KOVU 12
21 PRINCIP BALANČNIacuteCH DETEKTORŮ12
3 ZAŘIacuteZENIacute SPOLEČNOSTI LOMA SYSTEMS SRO 16
31 OBECNEacute INFORMACE17 32 VYSIacuteLACIacute ČAacuteST - TX 17 33 PŘIJIacuteMACIacute ČAacuteST - RX 21 34 PRINCIP VYHODNOCOVAacuteNIacute22 35 VYVAŽOVAacuteNIacute DETEKTORU 23 36 VYacuteSTUPNIacute KONTROLA 25
4 OPTIMALIZACE A STIacuteN ĚNIacute DETEKTORU 27
41 VYŠETŘOVAacuteNIacute VLIVU POZICE RX VINUTIacute 28 411 Preprocessing - přiacuteprava skriptu 29 412 Postprocessing - ziacuteskaacutevaacuteniacute vyacutesledků 31 413 Hodnoceniacute vyacutesledků 33
42 VYŠETŘOVAacuteNIacute MNOŽSTVIacute VYZAŘOVANEacute ENERGIE43 421 Řešeniacute probleacutemu43 422 Hodnoceniacute vyacutesledků 46
5 ZAacuteVĚR 52
6 POUŽITAacute LITERATURA53
7 PŘIacuteLOHY1
71 TVORBA GEOMETRIE1 72 DEFINICE ELEMENTŮ MATERIAacuteLŮ A JEJICH PŘIŘAZENIacute K PLOCHAacuteM 2 73 SIacuteŤOVAacuteNIacute OBLASTIacute 4 74 OKRAJOVAacute PODMIacuteNKA A NASTAVENIacute BUDICIacuteHO PRŮBĚHU 4 75 NASTAVENIacute ANALYacuteZY 5 76 POSTPROCESSING6 77 MAKRO 7
EVIDENČNIacute LIST 8
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
9
Seznam symbol ů DK (-)helliphelliphelliphelliphellip detektor kovů
f (Hz)helliphelliphelliphellip frekvence
ω (s-1)helliphelliphelliphelliphellip uacutehlovaacute rychlost (frekvence)
ρ (Ωm)helliphelliphelliphellip měrnyacute odpor
micro0 (Hm-1)helliphelliphellip permeabilita vakua (4π10-7)
micror (-)helliphelliphelliphelliphellip poměrnaacute permeabilita
TRhelliphelliphelliphelliphelliphellip transformaacutetor
C (F)helliphelliphelliphelliphellip kapacita
Txhelliphelliphelliphelliphelliphellip transmitter - vysiacutelač
Rxhelliphelliphelliphelliphelliphellip receiver - přijiacutemač
SShelliphelliphelliphelliphellip stainless steel - nerezovaacute ocel
IQ2helliphelliphelliphelliphellip model detektoru společnosti Loma Systems sro
IQ3helliphelliphelliphelliphellip novějšiacute model detektoru společnosti Loma Systems sro
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
10
Uacutevod Po zveřejněniacute bakalaacuteřskeacute praacutece Detektory kovů projevila společnost Loma Systems
sro zaacutejem o spolupraacuteci v oblasti vyacuteroby a vyacutevoje průmyslovyacutech detektorů kovu
Společnosti Loma a Cintex byly založeny před 30 lety a jsou předniacutemi světovyacutemi
producenty v oblasti potravinovyacutech farmaceutickyacutech a textilniacutech kontrolniacutech systeacutemů ndash
detektorů kovu rentgenoveacute kontroly a zařiacutezeniacute kontrolniacuteho vaacuteženiacute Sveacute prestižniacute postaveniacute
ziacuteskaly diacuteky sveacute trvaleacute kvalitě a pokročilyacutem technologiiacutem což je vyacutesledkem neustaacuteleacuteho a
rozsaacutehleacuteho vyacutezkumneacuteho a vyacutevojoveacuteho programu
Hlavniacute siacutedlo je ve Farnborough ve Velkeacute Britaacutenii Vyacutezkumnaacute a vyacutevojovaacute centra jsou
jak ve Velkeacute Britaacutenii tak v Chicagu ve Spojenyacutech staacutetech a nyniacute se zřizuje i zde v Českeacute
republice Většina vyacuteroby je ve Velkeacute Britaacutenii a Chicagu nyniacute se postupně přesouvaacute do nově
zřiacutezeneacute provozovny v Českeacute republice (Dobřany) Společnost maacute takeacute přiacutemeacute prodejniacute a
servisniacute zastoupeniacute ve Francii Německu Nizozemiacute Čiacuteně Kanadě a USA Mimo tyto oblasti
těsně spolupracuje s distributory a podiacuteliacute se vyacuterobou a dodaacutevkami součaacutestek pro vyacuterobce ve
viacutece než 35 zemiacutech po celeacutem světě aby zajistila že se zaacutekazniacutekům dostaacutevaacute plneacuteho servisu a
podpory ať už se nachaacutezejiacute kdekoliv [1]
Ciacutelem společnosti je vytvořeniacute kolektivu pracovniacuteků v ČR kteřiacute se již v teorii detekce
kovů orientujiacute a jsou schopni pracovat na probleacutemech a slabyacutech straacutenkaacutech vyacuteroby a podiacutelet se
na vyacutevoji novyacutech detektorů Po dohodě byl vymezen okruh probleacutemů ve kteryacutech by bylo
vhodneacute proveacutest určitaacute zlepšeniacute jak po straacutence technickeacute tak technologickeacute s ohledem na
ekonomickeacute uacutespory a zlepšeniacute vyacuterobniacuteho procesu
V teacuteto praacuteci je uveden popis principu staacutevajiacuteciacuteho zařiacutezeniacute společnosti Loma Systems
sro postup vyšetřovaacuteniacute magnetickeacuteho pole tohoto zařiacutezeniacute a naacutevrh optimalizace z pohledu
zlepšeniacute kvality detekce a stiacuteněniacute elektromagnetickeacuteho pole
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
11
1 Zaacutekladniacute fyzikaacutelniacute principy detektor ů kovu Principy detektorů kovů jsou založeny na využiacutevaacuteniacute specifickyacutech vlastnostiacute kovů
Kovy se od okolniacutech materiaacutelů lišiacute hlavně
bull měrnyacutem elektrickyacutem odporem
bull magnetickyacutemi vlastnostmi
Většina hledanyacutech objektů je energeticky pasivniacute proto je pro jejich detekci potřeba
energii dodaacutevat Dodaacutevanaacute energie je většinou vyzařovaacutena detektorem čaacutestiacute kteraacute maacute funkci
vysiacutelače Vysiacutelanaacute energie může byacutet akustickaacute na tomto principu funguje sonar nebo
elektromagnetickaacute což je princip většiny detektorů od radarů přes průmysloveacute detektory až k
tzv minohledačkaacutem Zde se využiacutevaacute vyacuteše jmenovanyacutech odlišnostiacute ktereacute majiacute vliv na
pohlcenou odraacuteženou a zbytkovou energii kteraacute je detekovanyacutem objektem vyzařovaacutena zpět
nebo jinyacutem způsobem deformuje elektromagnetickeacute pole Množstviacute pohlceneacute energie je daacuteno
matematickyacutem vyacuterazem (11) kteryacute určuje tzv hloubku vniku δ ve ktereacute se přivedenaacute energie
vlivem viacuteřivyacutech proudů sniacutežiacute na polovinu
( )mmicroωρδ
sdotsdot= 2
(11)
kde micro = micro0 micror
Vyacuteraz (11) je třeba uvažovat při řešeniacute energie pohlceneacute nebo odraacuteženeacute z hlediska volby
frekvence vysiacutelaneacute energie neboť
( )12 minussdotsdot= sfπω (12)
Druhou skupinu tvořiacute objekty ktereacute do sveacuteho okoliacute nějakou formou energii vyzařujiacute
Vyzařovanaacute energie může byacutet
bull akustickaacute (lokalizovaacuteniacute polohy ponorek)
bull elektromagnetickaacute (vyzařovaacuteniacute většiny elektrickyacutech zařiacutezeniacute točivyacutech i netočivyacutech
lokalizovaacuteniacute letadel ndash systeacutem TAMARA)
bull tepelnaacute (termovize tepelneacute navaacuteděniacute řiacutezenyacutech střel)
bull gama zaacuteřeniacute (vyhledaacutevaacuteniacute izotopů)
Zvlaacuteštniacutem přiacutepadem je situace kdy hledanyacute objekt i detektor jsou pasivniacute a k detekci je
využiacutevaacutena změna energie z ciziacuteho zdroje Konkreacutetniacutem přiacutepadem je přiacutestroj nazyacutevanyacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
12
magnetometr kteryacute detekuje objekty na zaacutekladě změny intenzity magnetickeacuteho pole země
vyvolaneacute hledanyacutem objektem Deformaci magnetickeacuteho pole země nezpůsobujiacute pouze kovy
ale i jineacute nehomogenity jako jsou jeskyně dutiny nebo remanentniacute magnetickeacute pole [2]
2 Principy aktivniacutech elektromagnetickyacutech detektor ů kovu
Pro detekci jsou obecně využiacutevaacuteny změny sniacutemaneacute veličiny ktereacute jsou způsobeny
hledanyacutem předmětem materiaacutelem Při vyhledaacutevaacuteniacute objektů elektromagnetickyacutem polem se
využiacutevaacute dvou materiaacutelovyacutech vlastnostiacute způsobujiacuteciacute jeho deformaci Zaprveacute je to deformace
pole feromagnetickyacutem materiaacutelem (např permaloy ferit železo) jehož magnetickaacute vodivost
převyšuje vodivost elektrickou a způsobuje soustředěniacute siločar pole do objektu obr 21
Obr 21 Feromagnetickyacute objekt Obr 22 Neferomagnetickyacute objekt
Materiaacutely u kteryacutech převyšuje elektrickaacute vodivost nad magnetickou (např měď hliniacutek)
uplatňujiacute druhyacute princip a tiacutem je deformace původniacuteho pole polem sekundaacuterniacutem Sekundaacuterniacute
pole vznikaacute viacuteřivyacutemi proudy naindukovanyacutemi ve vodiveacutem předmětu vystaveneacutemu původniacutemu
poli Ze zaacutekona o zachovaacuteniacute energie plyne že sekundaacuterniacute pole působiacute proti původniacutemu
Naacutesledkem tohoto jevu dojde k obtečeniacute objektu siločarami původniacuteho vyzařovaneacuteho pole
obr 22 [3]
21 Princip balan čniacutech detektor ů Většina průmyslovyacutech detektorů kovu pracuje na balančniacutem principu podrobnyacute popis
ostatniacutech principů je uveden napřiacuteklad ve [3]
Tento princip je založen na vyvaacuteženyacutech (vybalancovanyacutech) ciacutevkaacutech (IB ndash Induction
Balance) Z toho plyne že hledaciacute sonda je složena z minimaacutelně dvou ciacutevek popřiacutepadě dvou
systeacutemů ciacutevek z nichž jeden je vysiacutelaciacute a druhyacute pracuje jako přijiacutemač (Transmitter Receiver
ndash TR) Tyto detektory byacutevajiacute označovaacuteny TR-IB V přiacutepadě dvou ciacutevek je přijiacutemaciacute ciacutevka
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
13
umiacutestěna vzhledem k vysiacutelaciacute ciacutevce tak že naindukovaneacute napětiacute při nepřiacutetomnosti kovu je
rovno nule tzv uspořaacutedaacuteniacute překryacutevanyacutech ciacutevek tvaru D Stejneacuteho efektu lze dosaacutehnou při
pozici ciacutevek vzaacutejemně pootočenyacutech o 90deg Jestliže je na straně přiacutejmu soustava dvou ciacutevek
umiacutestiacute se vzhledem k vysiacutelaciacute ciacutevce tak že v nepřiacutetomnosti kovu se do ciacutevek indukuje stejně
velkeacute napětiacute ktereacute se mezi sebou odečte Rozdiacutelu obou napětiacute na přijiacutemaciacutech ciacutevkaacutech je roven
nule (obr 23)
Obr 23 Uspořaacutedaacuteniacute systeacutemu ciacutevek Jakaacutekoliv deformace pole vysiacutelaciacute ciacutevky maacute za naacutesledek porušeniacute rovnovaacutehy a na přijiacutemaciacute
straně se objeviacute napětiacute indikujiacuteciacute přiacutetomnost kovu Indukovaneacute napětiacute v přijiacutemaciacute ciacutevce lze
matematicky popsat vztahem (21)
( )ϕω +sdotsdot= tAU sin (21)
kde A amplituda signaacutelu
ω uacutehlovaacute frekvence signaacutelu
φ faacutezovyacute posuv oproti vysiacutelaneacutemu signaacutelu
Pokud se pod ciacutevkami nachaacuteziacute elektricky vodivyacute objekt z neferomagnetickeacuteho
materiaacutelu je pole deformovaacuteno sekundaacuterniacutem polem způsobenyacutem viacuteřivyacutemi proudy ktereacute
působiacute proti poli původniacutemu Pak přijiacutemaneacute napětiacute UPN v přijiacutemaciacute ciacutevce bude miacutet maximaacutelniacute
hodnotu v okamžiku největšiacute změny vysiacutelaneacuteho napětiacute UV V přiacutepadě indikace
feromagnetickeacuteho materiaacutelu je indukovaneacute napětiacute UPF ve faacutezi s vysiacutelaciacutem napětiacutem Protože je
v praxi nemožneacute dosaacutehnout absolutniacuteho vyvaacuteženiacute ciacutevek bude v přijiacutemaciacute ciacutevce vždy nějakeacute
maleacute napětiacute Na obr 24 jsou ideaacutelniacute přijiacutemaneacute signaacutely pro různeacute druhy kontaminantů U
obecnyacutech materiaacutelů se ve skutečnosti uplatňujiacute jak feromagnetickeacute vlastnosti tak vodivostniacute
Z tohoto důvodu bude miacutet napětiacute UP indukovaneacute v přijiacutemaciacute ciacutevce faacutezovyacute posuv oproti
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
14
vysiacutelaneacutemu v intervalu
20π
[2]
Obr 24 Průběhy napětiacute UV ndash vysiacutelaneacute napětiacute UPF ndash ideaacutelniacute přijiacutemaneacute napětiacute (feromagnetickyacute materiaacutel) UPN ndash ideaacutelniacute přijiacutemaneacute napětiacute (neferomagnetickyacute materiaacutel) UP ndash skutečneacute přijiacutemaneacute napětiacute [2]
Existujiacute různeacute možnosti dociacuteleniacute nuloveacuteho klidoveacuteho přenosu mezi ciacutevkami Zaprveacute
prostorovyacutem odděleniacutem kdy osy ciacutevek mezi sebou sviacuterajiacute uacutehel 90deg vysiacutelaciacute ciacutevka je uložena
svisle a přijiacutemaciacute ciacutevka vodorovně obr 25 Tyto detektory byly nazyacutevaacuteny bdquoTwo boxldquo [2]
Obr 25 Princip prostoroveacuteho uspořaacutedaacuteniacute 90deg ciacutevek [2]
V druheacutem přiacutepadě jsou obě ciacutevky uloženy vodorovně ale jejich prostoroveacute uspořaacutedaacuteniacute se voliacute
takoveacute aby byla vzaacutejemnaacute indukčnost nulovaacute Toho je dociacuteleno tiacutem že přijiacutemaciacute ciacutevkou
U (V)
t (s)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
15
prochaacuteziacute stejneacute množstviacute siločar vysiacutelaciacute ciacutevky v jednom i druheacutem směru a tiacutem dochaacuteziacute ke
kompenzaci (vyrušeniacute) jejich uacutečinku obr 26
Obr 26 Princip prostoroveacuteho uspořaacutedaacuteniacute překryacutevajiacuteciacutech se ciacutevek [2]
Společnosti vyraacutebějiacuteciacute průmysloveacute detektory kovů majiacute většinou sveacute specifickeacute uspořaacutedaacuteniacute
ciacutevek
Obr 27 Viacutece ciacutevkoveacute uspořaacutedaacuteniacute detektoru společnosti Ad controls sro a jeho skutečneacute provedeniacute [4]
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
16
Obr 28 Třiacute ciacutevkoveacute uspořaacutedaacuteniacute detektoru společnosti Loma Systems sro
Kvalita detektoru je daacutena předevšiacutem ciacutevkovou soustavou a neměnnostiacute jejiacutech vlastnostiacute a daacutele
volbou pracovniacuteho kmitočtu Špičkou mezi dnešniacutemi detektory jsou zařiacutezeniacute umožňujiacuteciacute
činnost při různyacutech budiacuteciacutech kmitočtech Vyacutehodou těchto systeacutemů je možnost použiacutevat viacutece
zařiacutezeniacute bliacutezko u sebe a hlavně možnost použitiacute různyacutech frekvenciacute pro rozdiacutelneacute produkty s
ohledem na citlivost a kvalitu detekce
3 Zařiacutezeniacute spole čnosti Loma Systems sro Podmiacutenkou k dalšiacute vyacutevojoveacute činnosti je podrobnaacute znalost vyraacuteběnyacutech zařiacutezeniacute a
vyacuterobniacutech technologiiacute v daneacutem podniku
Obr 31 Detektor kovů IQ3 s dotykovyacutem ovlaacutedaacuteniacutem společnosti Loma Systems sro [1]
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
17
31 Obecneacute informace Jsou vyraacuteběny dva typy detektorů ktereacute pracujiacute na stejneacutem principu ale lišiacute se
vysiacutelaciacutemi průběhy budiacuteciacuteho napětiacute a možnostiacute pracovat na různyacutech kmitočtech
Staršiacute model označenyacute jako IQ2 je vyraacuteběnyacute ve třech variantaacutech jako farmaceutickyacute
detektor detektor s volnyacutem propadem produktu nebo detektor s produktem dopravovanyacutem
potrubiacutem Posledniacute dva jmenovaneacute jsou takeacute vyraacuteběny na zaacutekladě technologie IQ3 Tento
systeacutem umožňuje činnost detektoru na různyacutech budiacuteciacutech kmitočtech a je použit hlavně u
dopravniacutekovyacutech detektorů Detektor IQ2 pracuje na neměnneacute frekvenci 1 MHz
Dopravniacutekoveacute detektory jsou vyraacuteběny ve dvou variantaacutech normaacutelniacute (detekčniacute otvor
maacute stěny opatřeneacute vrstvou modreacuteho epoxidu) a detektory pro extreacutemně nepřiacutezniveacute podmiacutenky
(stěny detekčniacuteho otvoru jsou pokryty odolnyacutem plastem) ktereacute odolaacutevajiacute i vysokotlakeacutemu
vodniacutemu čištěniacute Obě varianty jsou vhodneacute i pro použitiacute v potravinaacuteřskeacutem průmyslu
Všechny detektory jsou schopny pracovat při siacuteťoveacutem napětiacute 110115200220230 V
50 nebo 60 Hz 1f 380400 V 5060 Hz 3f a majiacute stupeň krytiacute IP 69K což umožňuje uacutedržbu
vysokotlakyacutemi vodniacutemi čističi Ovlaacutedaacuteniacute a komunikace s detektorem je zajištěna LCD
displejem s tlačiacutetky nebo displejem dotykovyacutem Každyacute detektor je vybaven releacuteovyacutemi
vyacutestupy jimiž je možno ovlaacutedat chod dopravniacuteku vyřazovaciacute systeacutem signalizačniacute lampy či
klakson
Detektor jako takovyacute se sklaacutedaacute z jedneacute čaacutesti kde je jak samotnyacute detekčniacute otvor tak i
veškeraacute elektronika Detekčniacute otvor tvořiacute jaacutedro z tvrzeneacuteho papiacuteru (Tufnol) do ktereacuteho jsou
vlepeny vodiče ciacutevek Stěny detekčniacuteho otvoru jsou opatřeny modryacutem epoxidem nebo biacutelyacutem
polyethylenem (Acetal) kteryacute maacute většiacute mechanickou odolnost Celeacute zařiacutezeniacute je uzavřeno v
obalu z nerezoveacute oceli ANSI 304 (DIN 14301) tloušťky 3 mm Prostor mezi jaacutedrem a
nerezovyacutem obalem je vyplňovaacuten pěnivyacutem epoxidem
Elektronika detektoru obsahuje tři desky plošnyacutech spojů a ovlaacutedaciacute displej Hlavniacute
čaacutestiacute je řiacutediacuteciacute deska (Control board) na ktereacute se nachaacuteziacute blok napaacutejeciacuteho zdroje
vyhodnocovaciacute obvody paměti AD převodniacuteky signaacutelu a vstupniacutevyacutestupniacute obvody Dalšiacutemi
čaacutestmi jsou vysiacutelaciacute deska (Transmitter board) a deska přijiacutemače (Receiver board)
32 Vysiacutelaciacute čaacutest - Tx Postupneacute upouštěniacute od vyacuteroby zastaraleacute verze detektorů IQ2 je důvodem pro zaměřeniacute
teacuteto praacutece na detektory IQ3 Systeacutem IQ3 je multifrekvenčniacute založenyacute na balančniacutem principu
Oproti standardniacutem balančniacutem detektorům je zde vysiacutelaciacute ciacutevka buzena nespojityacutem signaacutelem
Vyacutehodou použitiacute tohoto signaacutelu je snadnaacute změna frekvence možnost řiacutezeniacute vysiacutelaciacuteho vyacutekonu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
18
a celkoveacute zvyacutešeniacute kvality detekce neboť rychlyacutem změnaacutem budiacuteciacuteho proudu odpoviacutedaacute velkaacute
změna magnetickeacuteho indukčniacuteho toku Dle Faradayova indukčniacuteho zaacutekona je velikost
indukovaneacuteho napětiacute daacutena rychlostiacute změny magnetickeacuteho indukčniacuteho toku (31)
tU i ∆
∆Φminus= (31)
Činnost Tx boardu (vysiacutelaciacute desky) je řiacutezena mikrokontrolerem kteryacute komunikuje s
Control boardem seacuteriovyacutem rozhraniacutem Deska umožňuje kontrolu napaacutejeniacute vysiacutelaciacuteho proudu
teploty a přiacutepadneacute přerušeniacute Tx vinutiacute (vysiacutelaciacute ciacutevky) Mikrokontroler řiacutediacute jak vysiacutelaciacute
průběh tak vyhodnocovaciacute obvody ktereacute jsou na Rx boardu (přijiacutemaciacute deska)
Na Tx board jsou přivaacuteděna napětiacute 12 V -12 V proti zemi použiacutevanaacute k buzeniacute Tx
vinutiacute Z kladneacuteho napětiacute se daacutele ziacuteskaacutevaacute napětiacute 33 V a 18 V pro napaacutejeniacute ostatniacutech obvodů
Budiacuteciacute signaacutel je kvůli požadovaneacutemu vysokeacutemu pulsniacutemu vyacutekonu odebiacuteraacuten z kondenzaacutetoroveacute
baterie Velikost odebiacuteraneacuteho proudu je měřena operačniacutem zesilovačem zapojenyacutem jako
převodniacutek IU
Vyacutekonovaacute čaacutest Tx boardu je tvořena čtyřmi MOSFET tranzistory řiacutezenyacutemi
mikrokontrolerem Vyacutekonoveacute tranzistory T1 až T4 jsou zapojeny dle obr 32
Obr 32 Zapojeniacute koncoveacute čaacutesti vysiacutelače
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
19
Vysiacutelaciacute ciacutevka je tvořena pouze jedniacutem zaacutevitem Cu draacutetu ϕ 1 mm jeho indukčnost a kapacita
je vzhledem k jeho vodivosti zanedbatelnaacute a při nižšiacutech frekvenciacutech se tedy chovaacute jako zkrat
Pokud je časovyacute posuv mezi U1 a U2 roven nule pak napětiacute UTX je takeacute rovno nule a Tx
ciacutevkou neteče žaacutednyacute proud obr 33
-12
-8
-4
0
4
8
12
16U1 (V)
-16
-12
-8
-4
0
4
8
12
16
000E+00 100E-05 200E-05 300E-05 400E-05 500E-05 600E-05
čas (s)
U2 (V)
Obr 331 Průběhy signaacutelů U1 a U2 přivaacuteděnyacutech na vyacutevody Tx vinutiacute V detektoru by se dala naměřit pouze elektrickaacute složka pole odpoviacutedajiacuteciacute původniacutemu signaacutelu
Pro detekci kovu je však důležiteacute elektromagnetickeacute pole kteraacute vznikaacute průchodem proudu
vinutiacutem Proudoveacuteho impulsu je dosaženo časovyacutem posunem mezi napětiacutemi U1 a U2
přivaacuteděnyacutemi na svorky Tx vinutiacute V tomto přiacutepadě potečou zkratoveacute proudoveacute pulsy
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
20
odpoviacutedajiacuteciacute připojeneacutemu napětiacute UTX viz obr 34 Vyacutekon detektoru je tedy řiacutezen časovyacutem
posunem mezi průběhy napětiacute U1 a U2 Tomuto časoveacutemu posuvu pak odpoviacutedaacute i velikost
odebiacuteraneacuteho proudu do Tx vinutiacute
-12
-8
-4
0
4
8
12
16U1 (V)
-12
-8
-4
0
4
8
12
16U2 (V)
000E+00 100E-05 200E-05 300E-05 400E-05 500E-05 600E-05
Čas (s)
I (A)
Obr 34 Časově posunutaacute napětiacute U1 U2 přivaacuteděnaacute na vyacutevody Tx vinutiacute a průběh proudu I v Tx vinutiacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
21
33 Přijiacutemaciacute čaacutest - Rx Zaacutekladem přijiacutemaciacute čaacutesti je soustava složenaacute ze dvou paralelně spojenyacutech Rx ciacutevek
podle obr 35 každaacute se dvěma zaacutevity U tohoto uspořaacutedaacuteniacute hraje důležitou roli smysl vinutiacute
Rx ciacutevek (označeniacute počaacutetku a konce vinutiacute) a jejich přesnaacute poloha Tx musiacute prochaacutezet přesně
v jedneacute polovině vzdaacutelenosti l
Obr 35 Geometrickeacute uspořaacutedaacuteniacute je voleno tak že pokud neprochaacuteziacute detektorem kontaminant napětiacute
indukovaneacute napaacutejenou ciacutevkou Tx do Rx ciacutevek je minimaacutelniacute
Jak bylo řečeno v kapitole 32 pro detekci kovu je podstatneacute elektromagnetickeacute pole
Elektrickeacute pole je odstraněno na primaacuterniacutem vinutiacute vstupniacuteho transformaacutetoru TR s dvojityacutem
primaacuterniacutem vinutiacutem zapojenyacutem proti sobě v poměru k sekundaacuterniacutemu vinutiacute 1+130 umiacutestěnyacutem
na Rx boardu Na obraacutezku 36 je zapojeniacute vstupniacuteho obvodu Rx boardu Elektrickaacute složka
pole maacute vůči zemi na obou vyacutevodech Rx ciacutevek stejnyacute průběh Primaacuterniacute vinutiacute TR maacute
vyvedenyacute střed na zem čiacutemž se elektrickaacute složka pole uzemniacute (teče proud) Protože jsou
Rx1 ciacutevka
Rx2 ciacutevka
Tx ciacutevka
l
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
22
průběhy na obou vyacutevodech stejneacute magnetickeacute toky v TR vyvolaneacute proudem působiacute proti sobě
a na sekundaacuterniacute vinutiacute se neindukuje žaacutedneacute napětiacute Dojde-li k narušeniacute magnetickeacuteho pole
uvnitř detekčniacuteho prostoru vznikaacute rozdiacutel naindukovaneacuteho napětiacute v leveacutem a praveacutem vodiči Rx
ciacutevky Tento rozdiacutel napětiacute maacute za naacutesledek tok proudu kteryacute se uzaviacuteraacute přes primaacuterniacute vinutiacute
TR1 a indukuje napětiacute na sekundaacuterniacute straně Toto napětiacute je daacutele zpracovaacutevaacuteno
Obr 36 Vstupniacute obvod Rx boardu
34 Princip vyhodnocovaacuteniacute Signaacutel na sekundaacuterniacutem vinutiacute transformaacutetoru TR je zpracovaacutevaacuten blokem obvodů pro
uacutepravu signaacutelu Ten obsahuje aktivniacute filtr a integračniacute člen s niacutezko-šumovyacutem operačniacutem
zesilovačem Za integračniacutem členem je měřiciacute bod kteryacute je využit při oživovaacuteniacute detektorů
Napětiacute Ub (balance signal) v tomto bodě se zobrazuje na osciloskopu a jeho maximaacutelniacute
hodnota by neměla přesaacutehnout 6 V špička - špička Čiacutem je rozkmit toho napětiacute nižšiacute tiacutem lze
dosaacutehnout vyššiacute citlivosti detektoru (kap 35 Vyvažovaacuteniacute detektoru) Nuloveacuteho rozkmitu
nelze dosaacutehnout mimo jineacute kvůli vyacuterobniacutem toleranciacutem zařiacutezeniacute a nehomogenitaacutem Citlivost
elektronickyacutech čaacutestiacute je velmi vysokaacute a uplatňujiacute se rušiveacute vlivy při jejich činnosti (vliv
teploty mechanickeacute chvěniacute) Napětiacute Ub odpoviacutedaacute vyrovnaacutevaciacutemu proudu v Rx ciacutevkaacutech
Přiacuteklad jeho průběhu bez kontaminantu je na obr 37
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
23
Obr 37 Přiacuteklad průběhu napětiacute Ub
Napětiacute Ub je přivaacuteděno na dva samostatneacute elektronickeacute obvody (řiacutezeneacute usměrňovače)
ovlaacutedaneacute řiacutediacuteciacutemi napětiacutemi z mikrokontroleru (na Tx boardu) Dvě řiacutediacuteciacute napětiacute jednoho
usměrňovače jsou vůči sobě o π posunuty a zaacuteroveň jsou posunuty o π2 proti dvěma řiacutediacuteciacutem
napětiacutem druheacuteho usměrňovače Vyacutesledkem jsou dva napěťoveacute signaacutely (P a Q) ktereacute jsou daacutele
zpracovaacutevaacuteny (integrace zesiacuteleniacute) s možnostiacute ručniacute volby zesiacuteleniacute ve čtyřech stupniacutech
(ovlaacutedaacuteniacute citlivosti detektoru) Tyto signaacutely jsou již nositelem informace a jsou na Control
boardu převedeny do digitaacutelniacute podoby Takto upraveneacute signaacutely jsou vyhodnocovaacuteny
algoritmy v hlavniacutem mikrokontroleru
35 Vyvažovaacuteniacute detektoru Zaacutekladem kvalitniacute a stabilniacute detekce je ciacutevkovyacute systeacutem Aby se dosaacutehlo co nejlepšiacuteho
vyvaacuteženiacute ciacutevek je nutnaacute přesnaacute bytelnaacute a rozměrově staacutelaacute konstrukce Detektory společnosti
Loma Systems sro majiacute ciacutevky uloženeacute ve vyfreacutezovanyacutech draacutežkaacutech a zajištěneacute epoxidovyacutem
lepidlem I přes to je detektor po osazeniacute elektronikou značně nevyvaacuteženyacute balančniacute napětiacute Ub
překračuje požadovanou hodnotu 6 V špička - špička natolik že může dojiacutet i k saturaci
elektronickyacutech obvodů Je tedy nutneacute ciacutevkovyacute systeacutem vyvaacutežit (vybalancovat)
Nejprve se provede hrubeacute laděniacute spočiacutevajiacuteciacute v tvarovaacuteniacute maleacute smyčky Tx vinutiacute v čele
detektoru obr 38
0 T2 T
25 V Ub
-25 V
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
24
Obr 38 Vyvažovaciacute očko na Tx vinutiacute a vlepenyacute pliacutešek uvnitř detekčniacuteho otvoru
Tato smyčka plniacute funkci kompenzačniacuteho vinutiacute po natvarovaacuteniacute je očko zaliteacute epoxidovyacutem
lepidlem U detektorů s vnitřniacute uacutepravou detekčniacuteho otvoru modryacutem epoxidem se do
detekčniacuteho otvoru daacutele vlepujiacute vyvažovaciacute pliacutešky různyacutech tvarů a velikostiacute (od 1 cm2 do 4
cm2) obr 38 ktereacute se naacutesledně zalijiacute do roviny modryacutem epoxidem Jako materiaacutel
vyvažovaciacutech pliacutešků je použita nerezovaacute ocel ANSI 304 (DIN 14301) tloušťky 2 mm Druhyacute
typ detektorů s odolnyacutem plastovyacutem povrchem (typ US) neumožňuje vlepovaacuteniacute pliacutešků
dovnitř detekčniacuteho otvoru Balancovaacuteniacute se tedy provaacutediacute přesnějšiacutem tvarovaacuteniacutem Tx očka
popřiacutepadě vlepovaacuteniacutem pliacutešků v jeho okoliacute
Pro jemneacute doladěniacute se u obou těchto variant (US typ a klasickyacute s modrou epoxidovou
vyacuteplniacute detekčniacuteho otvoru) osazujiacute balančniacute moduly obr 39 ktereacute na plastoveacutem otočneacutem diacutelu
majiacute tuning block o rozměrech cca 05 cm2 z 5 mm tlusteacuteho nerezu Oba balančniacute moduly
umožňujiacute pohyb tuning blocku v okoliacute vyvažovaciacuteho očka
Obr 39 Balančniacute moduly i s kryciacutemi plechy vlevo US vpravo klasickyacute
Tyto moduly nejsou přiacuteliš efektivniacute a sloužiacute pouze k miacuterneacutemu vyvaacuteženiacute Použiacutevajiacute se dva typy
Tuning block
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
25
těchto modulů podle varianty vnitřniacute vyacuteplně detektoru (US typ a klasickyacute s modrou
epoxidovou vyacuteplniacute detekčniacuteho otvoru) Jedniacutem z přijatyacutech naacutevrhů pro vylepšeniacute detektorů s
modrou epoxidovou vyacuteplniacute je použitiacute stejneacuteho balančniacuteho modulu jako u detektoru typu US
Vyacuterobniacute cena US balančniacuteho modulu je podstatně nižšiacute a umožňuje změnu polohy
vyvažovaciacuteho diacutelu nejen po obvodu kružnice ale i změnu vzdaacutelenosti mezi rovinami očka a
tuning bloku Změna teacuteto vzdaacutelenosti se využije v přiacutepadě kdy po osazeniacute detektoru s modrou
epoxidovou pryskyřiciacute balančniacutem modulem dojde ke zhoršeniacute vyvaacuteženiacute ktereacute pouhyacutem
natočeniacutem po kružnici nelze vykompenzovat Použiacutevaacuteniacutem pouze balančniacuteho modulu typu
US by se dosaacutehlo sniacuteženiacute počtu součaacutestek ve vyacuterobniacutem procesu sniacuteženiacute naacutekladů na vyacuterobu
detektoru s modrou epoxidovou vyacuteplniacute detekčniacuteho prostoru a odstranil by se i probleacutem
vznikajiacuteciacute při osazeniacute těchto detektorů balančniacutemi moduly
Dalšiacute naacutevrh se tyacutekal materiaacutelu použiteacuteho na tuning block Snahou bylo zvyacutešit vliv
tuning bloku natolik aby bylo možneacute vynechat kompenzačniacute očko čiacutemž by došlo k urychleniacute
laděniacute Byly testovaacuteny materiaacutely FeNi47ln5 tloušťky 03 mm a FeNi42 tloušťky 04 mm Byl
zvolen tvar kteryacute umožňoval použitiacute staacutevajiacuteciacutech US modulů obr 310 Vliv tuning blocků
se sice zvyacutešil nicmeacuteně ne natolik aby mohlo byacutet vyvažovaciacute očko zcela vynechaacuteno
Obr 310 Prototypy tuning blocků z novyacutech materiaacutelů
36 Vyacutestupniacute kontrola Před samotnou expediciacute detektoru je nutneacute proveacutest kontrolu detekce Kvalita detekce
je ověřovaacutena třemi typy kontaminantů neželeznyacute - NONFE (mosaz) železnyacute - FE (chromovaacute
ocel) a nerezovyacute - SS (ANSI 304) K tomu jsou určeny přiacutepravky na obr 311 a 312 Jednaacute
se o kuličky definovanyacutech průměrů ktereacute jsou zaliteacute v plastovyacutech tyčinkaacutech opatřenyacutech
rozměrovou specifikaciacute kontaminantu Barva tyček odlišuje použityacute typ kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
26
Obr 311 Testovaciacute vzorky pro dopravniacutekoveacute detektory
Obr 312 Testovaciacute vzorky pro farmaceutickeacute detektory
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
27
4 Optimalizace a stiacuten ěniacute detektoru Jedniacutem z bodů teacuteto praacutece je navrženiacute optimalizaciacute průmysloveacuteho detektoru kovu z
hlediska kvality detekce a vyšetřeniacute elektromagnetickeacuteho pole s ohledem na rušiveacute vlivy Z
počaacutetku byly provaacuteděny pokusy se stiacuteněniacutem ciacutevek s ohledem na rušeniacute vnějšiacutem
elektromagnetickyacutem polem Prvniacute uacutevahy vedly k použitiacute stiacuteniacuteciacuteho materiaacutelu s velkou
permeabilitou kteryacute by do sebe soustředil většiacute množstviacute indukčniacutech čar unikajiacuteciacutech do okoliacute
a tiacutem omezil vnějšiacute rušeniacute Na zaacutekladě teacuteto uacutevahy byly testovaacuteny dva materiaacutely FeNi47ln5
tloušťky 03 mm a FeNi42 tloušťky 04 mm ktereacute mohou dosahovat relativniacute permeability až
micror_12106 [5] Těmito pokusy se sice sniacutežilo množstviacute indukčniacutech čar magnetickeacuteho pole
unikajiacuteciacuteho z detektoru ale vlivem přiacuteliš velkeacute permeability bylo ovlivněno i pole uvnitř
detekčniacuteho prostoru kde došlo ke sniacuteženiacute citlivosti Tento naacutevrh měl dalšiacute negativniacute faktory
jako je vysokaacute cena použityacutech materiaacutelů a omezeneacute vyacuterobniacute možnosti nedostačujiacuteciacute šiacuteřkou
paacutesů což by vedlo ke sklaacutedaacuteniacute plechů vedle sebe a tiacutem ke vzniku nehomogenit
Aby byly optimalizace efektivniacute je třeba znaacutet rozloženiacute elektromagnetickeacuteho pole
uvnitř detektoru a vlivy ktereacute na něj působiacute Proto bylo přistoupeno k využitiacute počiacutetačoveacuteho
softwaru Ansys Jednaacute se o profesionaacutelniacute software založenyacute na metodě konečnyacutech prvků Je
určen předevšiacutem pro simulace mechanickeacuteho namaacutehaacuteniacute ale umožňuje i řešeniacute teplotniacutech
elektromagnetickyacutech a sdruženyacutech poliacute [6] Ansys byl vybraacuten předevšiacutem pro možnost řešeniacute i
3D probleacutemů V teacuteto praacuteci bylo z důvodů vyacutepočetniacute naacuteročnosti a velkeacuteho množstviacute
jednotlivyacutech vyacutepočtů přistoupeno k řešeniacute probleacutemu pouze ve dvourozměrneacutem prostoru V
tomto přiacutepadě je řešeno nestacionaacuterniacute magnetickeacute pole ktereacute popisuje rovnice (41) [7]
( ) extr JArotdt
dABArotrot =timesminus+
minus γυγmicro1
(41)
kde
BArot = (42)
A magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel
micro permeabilita
Br remanentniacute indukce
B magnetickaacute indukce
γ měrnaacute elektrickaacute vodivost
ν rychlost pohybu tělesa v magnetickeacutem poli
Jext vektor vnějšiacute proudoveacute hustoty
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
28
41 Vyšet řovaacuteniacute vlivu pozice Rx vinutiacute Nejprve byly provedeny simulace staacutevajiacuteciacuteho zařiacutezeniacute o rozměrech detekčniacuteho otvoru
150 mm x 350 mm Zaacutekladniacute geometrie probleacutemu je na obraacutezku 41 Pro řešeniacute zaacutekladniacuteho
probleacutemu by bylo možneacute použiacutet symetrii modelu pokud však model doplniacuteme o kontaminant
možnost teacuteto symetrie odpadaacute Byly provedeny tři seacuterie vyacutepočtů ktereacute se lišily materiaacutelem
kontaminantu Každaacute seacuterie se sklaacutedala z 24 samostatnyacutech vyacutepočtů ve kteryacutech se postupně
měnila pozice kontaminantu tak jako je tomu při skutečneacute situaci na dopravniacutem paacutesu
Použityacutem APDL skriptem by bylo možneacute řešit i průchody kontaminantu v různyacutech vyacuteškaacutech
detekčniacuteho otvoru Pro potřeby těchto vyacutepočtů byl průchod zvolen středem jelikož je zde
citlivost detektoru nejnižšiacute Nutno poukaacutezat na skutečnost že kontaminant reprezentovanyacute
kružniciacute v řezu detektoru nelze považovat za kulovyacute nyacutebrž za vodič kruhoveacuteho průřezu
stejneacute deacutelky jako Tx respektive Rx vinutiacute Rozmeziacute pohybu kontaminantu bylo od -230 mm
do 230 mm vůči Tx vinutiacute s krokem 20 mm Obdeacutelniacuteky v okoliacute Tx vinutiacute byly vytvořeny za
uacutečelem možnosti zjemněniacute vyacutepočetniacute siacutetě v prostoru Tx a Rx vinutiacute Na obraacutezku 41 nejsou
namodelovaacuteny Rx ciacutevky neboť hodnota naindukovaneacuteho napětiacute byla ziacuteskaacutevaacutena v pěti
různyacutech vyacuteškovyacutech poziciacutech a bylo hodnoceno indukovaneacute napětiacute Ui
Obr 41 Zaacutekladniacute geometrie
nerezovyacute kryt
vodiče Tx vinutiacute
kontaminant
obdeacutelniacuteky vzduchoveacuteho okoliacute s jemnějšiacute vyacutepočetniacute siacutetiacute střed souřadneacuteho
systeacutemu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
29
411 Preprocessing - p řiacuteprava skriptu Nejprve bylo nutneacute zjistit geometrickeacute rozměry a materiaacuteloveacute konstanty zkoumaneacuteho
detektoru Geometrickeacute rozměry byly ziacuteskaacuteny z databaacuteze Solidworks modelů společnosti
Loma Systems sro V kapitole 71 je uacuteryvek APDL skriptu pro tvorbu geometrie
Materiaacutely použiteacute v modelu jsou vzduch vodiče Tx vinutiacute nerezovyacute obal detektoru a
materiaacutely kontaminantů V raacutemci zjednodušeniacute modelu nebyly uvažovaacuteny PVC izolace Tx
vinutiacute samotneacute Tufneloveacute jaacutedro a materiaacutel s niacutemž je prostor mezi jaacutedrem a nerezovyacutem
krytem vyplněn neboť tyto materiaacutely vykazujiacute z pohledu šiacuteřeniacute elektromagnetickeacuteho pole
stejneacute vlastnosti jako vzduch Konkreacutetniacute hodnoty materiaacutelovyacutech konstant viz tabulka 41
odpor Tx vinutiacute nebyl uvažovaacuten neboť jeho plochy byly zatiacuteženy definovanou proudovou
hustotou tudiacutež neniacute možneacute uvažovat přiacutepadně naindukovaneacute viacuteřiveacute proudy Daacutele bylo nutneacute
zvolit a spraacutevně nastavit použiteacute elementy modelu
Tab 41 Materiaacuteloveacute vlastnosti
měrnaacute
permeabilita [-] měrnyacute elektrickyacute
odpor [Ωm]
vzduch 1 -
Tx vinutiacute 1 -
nerezovaacute ocel (ANSI 304 DIN 14301)
1008 [10] 72010-7
neželeznyacute kontaminant (mosaz)
1 75010-8
železnyacute kontaminant (chromovaacute ocel)
400 12010-7
nerezovyacute kontaminant (ANSI 304 DIN 14301) 1008 72010-7
Jako elementy daneacuteho modelu byly zvoleny elementy PLANE53 určeneacute pro řešeniacute
magnetickeacuteho pole Jednaacute se o osmi uzloveacute elementy ktereacute mohou miacutet až čtyři stupně
volnosti na uzel Stupně volnosti mohou byacutet magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel (AZ) časově
integrovanyacute elektrickyacute skalaacuterniacute potenciaacutel (VOLT) elektrickyacute proud (CURR) a
elektromotorickaacute siacutela (EMF) [6] Geometrie elementu na obr 42
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
30
Obr 42 Geometrie elementu PLANE53 [6]
Uacuteryvek koacutedu v kapitole 72 obsahuje definovaacuteniacute materiaacutelovyacutech vlastnostiacute definovaacuteniacute
elementů a jejich nastaveniacute V dalšiacute časti bylo nutneacute jednotliveacute materiaacutely a elementy přiřadit
danyacutem plochaacutem
Daacutele bylo zapotřebiacute nastavit atributy pro automatickeacute siacuteťovaacuteniacute oblasti Je nutneacute aby v
tenkyacutech a malyacutech plochaacutech byla vyššiacute hustota siacutetě než na velkyacutech plochaacutech kde postačuje siacuteť
řidšiacute Velmi důležitaacute je kompatibilita siacutetě proto byla v okoliacute Tx vodičů vytvořena
obdeacutelniacutekovaacute oblast s hustšiacute siacutetiacute viz uacuteryvek koacutedu v přiacuteloze 73
Obr 43 Detailniacute pohled na siacuteť elementů
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
31
V posledniacute čaacutesti preprocessingu byla definovaacutena Dirichletova okrajovaacute podmiacutenka
udaacutevajiacuteciacute magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel roven nule na vnějšiacute hrany vzduchoveacuteho okoliacute a
průběh budiacuteciacute proudoveacute hustoty v Tx vodičiacutech V horniacutem a dolniacutem vodiči měly toky opačnyacute
smysl proto bylo nutneacute vytvořit dva vektory hodnot J1 (obr 44) a mJ1 V posledniacute řadě bylo
provedeno přiřazeniacute průběhů k plochaacutem viz kapitola 74
Obr 44 Průběh proudoveacute hustoty v ploše Tx vodiče
Ansys byl do Solution modu přepnut přiacutekazem SOL kde se provedlo nastaveniacute
analyacutezy a byl spuštěn vyacutepočet viz kapitola 76
412 Postprocessing - ziacuteskaacutevaacuteniacute vyacutesledk ů Ciacutelem teacuteto čaacutesti bylo zjištěniacute průběhů naindukovanyacutech napětiacute Ui v zaacutevislosti na čase
pro různeacute vyacuteškoveacute pozice přijiacutemaciacutech ciacutevek Rx Pro indukovaneacute napětiacute platiacute vztah
( )Vndt
dU i sdotΦminus= (43)
kde
( )TdxBlx
x
Yint sdotsdot=Φ2
1
(44)
n počet zaacutevitů Rx vinutiacute
l deacutelka Rx vinutiacute ve směru osy Z
x1 a x2 šiacuteřka Rx vinutiacute ve směru osy X
BY složka magnetickeacute indukce v ose Y
Zadaacuteniacutem souřadnic dvou bodů se nadefinovala uacutesečka (cesta) na kterou byly s určityacutem
J (Am-2)
kroky vyacutepočtu (-)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
32
krokem zaznamenaacuteny hodnoty magnetickeacute indukce BY Průběh BY v zaacutevislosti na souřadnici X
je na obr 45
Obr 45 Průběh magnetickeacute indukce BY v zaacutevislosti na souřadnici X
Obr 46 Průběh magnetickeacuteho toku Φ v zaacutevislosti na souřadnici X
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
33
Integrovaacuteniacutem průběhu BY se ziacuteskal průběh magnetickeacuteho indukčniacuteho toku Φ obr 46
Magnetickyacute indukčniacute tok Φ je roven určiteacutemu integraacutelu (rovnice 44) průběhu BY obr 45 Z
toho vyplyacutevaacute že magnetickyacute indukčniacute tok je roven posledniacute hodnotě průběhu na obr 46
Tato hodnota se vynaacutesobila deacutelkou Rx vinutiacute Postup vyacutepočtu se opakoval pro všechny pozice
Rx vinutiacute a to v každeacutem kroku transientniacute analyacutezy Tiacutem se ziacuteskala zaacutevislost magnetickeacuteho
indukčniacuteho toku Φ na čase t V programu MS Excel se vynaacutesobil tok počtem zaacutevitů Rx vinutiacute
a byla provedena derivace podle času (rovnice 43) Takto byly zpracovaacuteny vyacutesledky pro
všechny pozice kontaminantu vůči Tx vinutiacute APDL skript pro ziacuteskaacutevaacuteniacute hodnot viz kapitola
76 a v kapitole 77 je vyacutepis makra ktereacute uklaacutedaacute hodnoty do souboru
413 Hodnoceniacute vyacutesledk ů Vypočteneacute hodnoty Ui ve všech pěti vyacuteškovyacutech poziciacutech hrx byly vyneseny do grafů v
zaacutevislosti na čase Pokud se vynesou do jednoho grafu průběhy indukovanyacutech napětiacute pro
každou pozici kontaminantu v daneacute vyacutešce lze sledovat odezvu indukovaneacuteho napětiacute na
polohu kontaminantu Jelikož byly provedeny tři seacuterie vyacutepočtů s různyacutemi kontaminanty lze
porovnat i tvary přijiacutemanyacutech signaacutelu pro jednotliveacute materiaacutely Ciacutelem teacuteto čaacutesti je porovnat
signaacutely ziacuteskaacutevaneacute v různyacutech vyacuteškovyacutech polohaacutech Rx vinutiacute a vybrat nejvhodnějšiacute signaacutel pro
detekci
Na naacutesledujiacuteciacutech grafech jsou znaacutezorněny napěťoveacute průběhy během jedneacute periody v
zaacutevislosti na poloze kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
34
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 47 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 48 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
35
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 49 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 410 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
36
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 411 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 5)
Na obraacutezciacutech 47 až 411 jsou zobrazeny průběhy odpoviacutedajiacuteciacute průchodu železneacuteho
kontaminantu s relativniacute permeablitou 400 a měrnyacutem elektrickyacutem odporem 10210-7 Ωm Na
průběziacutech 47 48 a 411 lze pozorovat sice nižšiacute hodnotu signaacutelu ale celkovaacute deformace
během průchodu kontaminantu je většiacute
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 412 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
37
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 413 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 414 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
38
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 415 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 416 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce5)
Na obraacutezciacutech 412 až 416 jsou zobrazeneacute průběhy odpoviacutedajiacuteciacute průchodu kontaminantu z
nerezu ANSI 304 s relativniacute permeablitou 1008 a měrnyacutem elektrickyacutem odporem 7210-7
Ωm Při porovnaacuteniacute s předchoziacutem kontaminantem je změna signaacutelu nižšiacute což odpoviacutedaacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
39
předpokladům o obtiacutežnějšiacute detekci nerezovyacutech kontaminantů
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 417 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 418 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
40
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 419 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 420 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
41
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 421 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 5)
Na obraacutezciacutech 417 až 421 jsou zobrazeny průběhy odpoviacutedajiacuteciacute neželezneacutemu
kontaminantu (mědi) s parametry relativniacute permeablita 1 a měrnyacute elektrickyacute odpor 7510-8
Ωm Průběh signaacutelu je velmi podobnyacute signaacutelům nerezoveacuteho kontaminantu
Porovnaacuteniacutem všech grafů (obr 47 - obr 422) je obecně vidět že u průběhů ve vyacutešce
3 a 4 je zisk signaacutelu pro všechny modelovaneacute kontaminanty největšiacute Dochaacuteziacute zde ale ke
změně amplitudy pouze v jednom smyslu což z hlediska vyhodnocovaciacutech algoritmů zlepšeniacute
detekce vylučuje Naproti tomu je u signaacutelu ve vyacutešce 5 znatelně vyššiacute amplituda než v
použiacutevaneacute vyacutešce 2 Na zaacutekladě tohoto zjištěniacute bude zhotoven prototyp detektoru za uacutečelem
ověřeniacute teoretickyacutech vyacutesledků
Na obraacutezku 422 je ukaacutezka grafickeacuteho vyacutestupu zobrazujiacuteciacuteho vektory proudoveacute
hustoty naindukovaneacute v nerezoveacutem krytu a v kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
42
Obr 422 Vektory proudovyacutech hustot naindukovanyacutech do kontaminantu a nerezoveacuteho krytu
Obraacutezek 423 zobrazuje kontury magnetickeacuteho pole ve stejneacutem časoveacutem kroku jako obr
422 Pole ktereacute je konturami zobrazeno je tvořeno praacutevě proudovou hustotou obr 422 Je
zde možneacute pozorovat jak se pole deformuje přiacutetomnyacutem kontaminantem
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
43
Obr 423 Kontury magnetickeacuteho vektoroveacuteho potenciaacutelu s viditelnou deformaciacute pole způsobenou
feromagnetickyacutem kontaminantem
42 Vyšet řovaacuteniacute množstviacute vyza řovaneacute energie V teacuteto čaacutesti se vychaacutezelo z předpokladu že intenzita elektromagnetickeacuteho pole uvnitř
detektoru je mnohem většiacute než elektromagnetickyacute šum kteryacute do detektoru vnikaacute z okoliacute
Proto lze předpoklaacutedat že rušeniacute bude způsobeno předevšiacutem deformaciacute vlastniacuteho
vyzařovaneacuteho pole v bliacutezkeacutem okoliacute detektoru To vede ke snaze snižovat množstviacute vlastniacuteho
vyzaacuteřeneacuteho pole ven z detektoru aby nemohlo byacutet deformovaacuteno okolniacutemi předměty
421 Řešeniacute probleacutemu Bylo porovnaacuteno pět variant detektorů bez průchodu kontaminantu Každaacute varianta se
řešila jedniacutem vyacutepočtem z čehož plyne malaacute časovaacute naacuteročnost a proto byly probleacutemy řešeny
bez využitiacute symetrie Prvniacute byl staacutevajiacuteciacute detektor o tloušťce kryciacuteho nerezoveacuteho plechu 3 mm
druhyacute byl stejneacute geometrie ale za použitiacute silnějšiacuteho 5 mm tlusteacuteho nerezu Třetiacute typ měl
tloušťku 3 mm ale na horniacute a dolniacute stěně bylo přidaacuteno dalšiacute stiacuteněniacute z nerezu ve tvaru T (obr
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
44
426) Posledniacute dva naacutevrhy měly pravouacutehlyacute tvar krytu celkově menšiacutech rozměrů z nichž jeden
byl jednoduchyacute o tloušťce 3 mm (obr 427) a druhyacute měl shora a zdola dvojiteacute dno z nerezu
tloušťky 3 mm (obr_428) Touto metodou by se dalo porovnaacutevat mnohem většiacute množstviacute
provedeniacute ktereacute by se mohly lišit i použityacutem materiaacutelem Vzduchoveacute okoliacute detektoru bylo
rozděleno na čtyři sektory v nichž se sečetly hodnoty magnetickeacute energie jednotlivyacutech
elementů v každeacutem kroku analyacutezy a tiacutem se ziacuteskal průběh množstviacute energie v daneacutem prostoru
na čase Objemovaacute hustota magnetickeacute energie byla zjišťovaacutena ve všech plochaacutech daneacute
geometrie a bylo možno sledovat jak se energie v čase přemisťuje
Obr 424 Geometrie varianty 3 mm
Obr 425 Geometrie varianty 5 mm
Obr 426 Geometrie varianty 3 mm-stineni
Obr 427 Geometrie varianty novy 1
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
45
Obr 428 Geometrie varianty novy 2
Přiacuteprava skriptů se od předchoziacutech vyacutepočtů lišila pouze v geometrii jinak byla
principiaacutelně stejnaacute Rozdiacutel byl však v čaacutesti post-processingu (ziacuteskaacutevaacuteniacute vyacutesledků) Aby bylo
možno přistupovat k jednotlivyacutem sektorům musel byacutet každyacute sektor definovaacuten vlastniacutem typem
elementů (elementy byly použity stejneacute jednaacute se pouze o čiacuteslovaacuteniacute) Byly použity osmkraacutet
elementy PLANE53
ET153 Tx vinuti ET253 prostor uvnitr detektoru ET353 nerezovy obal ET453 detekcni prostor ET553 vzduchove okoli - horni ET653 vzduchove okoli - pravy ET753 vzduchove okoli - dolni ET853 vzduchove okoli - levy
Přiacuteklad načiacutetaacuteniacute vyacutesledků pro jeden typ elementů
POST1 prepnutiacute do postprocesoru allsel oznaceni vsech elementu vytvoreni pole pro ukadani hodnot DIMenergie1TABLEkroku11timeE zapsani nulovych hodnot na zacatek vektoru vysledku energie1(00)=0 energie1(01)=0 cyklus ve kterem se nacitaji vysledky jednotlivych kroku simulace doi1kroku1 APPEND 1 i nacteni daneho kroku eseltype1 vybrani elementu typu 1 GET e_count1 ELEM count vraci mnozstvi elementu daneho typu GET e_next ELEM 0 NXTH vraci nejnizsi adresu elementu daneho typu v promenne e_next energ1=0 vynulovani promenne cyklus ktery postupne prochazi vsechy elementy daneho typu doj1e_count11 GET e_energ1 ELEM e_next SENE ulozi do promene e_energ1 mnozstvi energie v elementu s adresou e_next
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
46
GET e_next ELEM e_next NXTH posune adresu elementu o jedna energ1=energ1+e_energ1 pricte mnozstvi energie e_energ1 do kumulativni promnenne energ1 enddo konec vnitrniho cyklu energie1(i0)=i zapise do pole vysledku cislu jirju simulace energie1(i1)=energ1 zapise do pole vysledku mnozstvi energie v cele plose s elementy daneho typu enddo konec vnejsiho cyklu zapis_energ zavolani makra pro zapis vysledku do souboru
422 Hodnoceniacute vyacutesledk ů V jednotlivyacutech sektorech se provedla suma magnetickeacute energie pro každyacute krok
simulace Vyacutesledkem jsou průběhy množstviacute energie v daneacute ploše v zaacutevislosti na krociacutech
simulace (čase) Jednotliveacute varianty byly hodnoceny na zaacutekladě porovnaacuteniacute průběhů se
staacutevajiacuteciacutem detektorem
Energie v Tx vinutiacute
000E+00
100E-03
200E-03
300E-03
400E-03
500E-03
600E-03
700E-03
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 429 Energie v Tx vinutiacute
Na grafu (obr 429) je vidět že množstviacute energie v Tx vinutiacute neniacute zaacutevisleacute na geometrii a je
daacuteno budiacuteciacutem signaacutelem v Tx vinutiacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
47
Energie unit ř detektoru
000E+00
200E-02
400E-02
600E-02
800E-02
100E-01
120E-01
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 430 Energie uvnitř detektoru
Na obr 430 je znaacutezorněno množstviacute energie v prostoru detektoru do ktereacuteho neniacute
započiacutetaacutena detekčniacute oblast ta je zobrazena na obr 432 V teacuteto čaacutesti neniacute pozorovaacutena žaacutednaacute
vyacuteraznaacute změna
Energie v nerezoveacutem obalu
000E+00
500E-05
100E-04
150E-04
200E-04
250E-04
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 431 Energie v nerezoveacutem obalu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
48
Vyacuteraznějšiacute změny se odehraacutevajiacute v nerezoveacutem obalu Nejmenšiacute množstviacute energie je v klasickeacute
3 mm tlusteacute a v 5 mm tlusteacute variantě U klasickeacute varianty se stiacuteněniacutem a u novyacutech naacutevrhů je
naacuterůst způsoben přibliacuteženiacutem nerezu k Tx vinutiacute
Energie v prostoru detek čniacuteho otvoru
000E+00
500E-03
100E-02
150E-02
200E-02
250E-02
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 432 Energie v prostoru detekčniacuteho otvoru
V oblasti detekčniacuteho otvoru je snaha o uchovaacuteniacute co největšiacuteho množstviacute energie neboť
zmenšeniacute energie vede ke sniacuteženiacute odezvy na kontaminant tedy ke sniacuteženiacute citlivosti detektoru
Z obr 432 je patrneacute že geometrickeacute uacutepravy detektoru (3 mm se stiacuteněniacutem novy 1 a novy 2)
vedou ke sniacuteženiacute množstviacute energie v tomto prostoru
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
49
Energie v horniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
100E-07
200E-07
300E-07
400E-07
500E-07
600E-07
700E-07
800E-07
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 433 Energie v horniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Energie v dolniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
100E-07
200E-07
300E-07
400E-07
500E-07
600E-07
700E-07
800E-07
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 434 Energie v dolniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Porovnajiacute-li se obr 433 a 434 je u variant 1 - 3 možneacute pozorovat rozdiacutely mezi horniacute a dolniacute
plochou Je zde na prvniacute pohled vidět jak horniacute oblouk snižuje množstviacute energie unikajiacuteciacute do
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
50
okoliacute Jako uacutečinneacute se z pohledu těchto sektorů jeviacute varianta klasickeacuteho detektoru se stiacuteněniacutem a
novyacute naacutevrh s dvojityacutemi stěnami
Energie v praveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
500E-06
100E-05
150E-05
200E-05
250E-05
300E-05
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 435 Energie v praveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Energie v leveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
500E-06
100E-05
150E-05
200E-05
250E-05
300E-05
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 436 Energie v leveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
51
Pravyacute a levyacute sektor je z důvodů symetrie stejnyacute na obrazciacutech 435 a 436 lze pozorovat tzv
metal free zoacutenu kteraacute se u detektorů udaacutevaacute Jednaacute se o prostor před a za detekčniacutem otvorem
ve ktereacutem se nesmiacute nachaacutezet žaacutednyacute kovovyacute materiaacutel (z důvodu ovlivňovaacuteniacute pole) snahou je
tuto zoacutenu co nejviacutece zmenšit Z grafů je patrneacute že novyacute naacutevrh s dvojityacutemi stěnami vykazuje
nejmenšiacute množstviacute energie v teacuteto oblasti Naopak u klasickeacute varianty se stiacuteněniacutem došlo k
vytlačeniacute pole z vnitřku detektoru praacutevě do těchto okolniacutech zoacuten
Na zaacutekladě těchto poznatků bude provedeno ověřeniacute na skutečnyacutech zařiacutezeniacutech Mezi
použitelneacute varianty připadaacute klasickaacute konstrukce doplněnaacute o stiacuteněniacute a novyacute naacutevrh s dvojityacutemi
stěnami U toho je však velkaacute hrozba sniacuteženiacute citlivosti způsobeneacute menšiacutem množstviacutem energie
v detekčniacutem prostoru
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
52
5 Zaacutevěr Ciacutelem předklaacutedaneacute praacutece je zlepšeniacute činnosti detektorů kovů přiacutepadně uacuteprava
technologie vyacuteroby při současneacutem sniacuteženiacute vyacuterobniacutech naacutekladů Předpokladem uacutespěšnyacutech
naacutevrhů byla podrobnaacute studie činnosti a principu těchto zařiacutezeniacute kteraacute jsou vyacuterobcem po
několik let uacutespěšně prodaacutevaacutena na světovyacutech trziacutech
Na zaacutekladě těchto požadavků byly provedeny některeacute testy ktereacute měly ověřit
předpoklaacutedanaacute zlepšeniacute Nejširšiacute možnosti přinaacutešiacute modelovaacuteniacute magnetickeacuteho pole
průmyslovyacutech detektorů počiacutetačovou simulaciacute kteraacute je zatiacutem schopna řešit zadaneacute probleacutemy
v dvourozměrneacutem prostoru Nejčastěji řešeneacute probleacutemy jsou staacutele spojeny se zaacutekladniacutem
principem činnosti těchto zařiacutezeniacute tj vlivem a působeniacutem kontaminantu na
elektromagnetickeacute pole buzeneacute ciacutevkami uvnitř detektoru a nepřiacuteznivyacute vliv vnějšiacutech rušivyacutech
poliacute např při současneacute činnosti sousedniacutech detektorů Dalšiacutem zdrojem rušivyacutech magnetickyacutech
poliacute může byacutet i činnost a přiacutetomnost různyacutech elektrickyacutech zařiacutezeniacute probleacutem spojenyacute s
vhodnyacutem materiaacutelem a tvarem stiacuteněniacute těchto zařiacutezeniacute
Vzhledem k maximaacutelniacute citlivosti elektronickyacutech obvodů a požadovaneacute pečlivosti při
balancovaacuteniacute (vyvažovaacuteniacute) se vyskytuje probleacutem kteryacute souvisiacute se staacutelostiacute nastaveniacute detektoru
při mechanickeacutem otřesu přiacutepadně odstraněniacute změn ke kteryacutem dochaacuteziacute vlivem dopravy
Dalšiacutem plaacutenovanyacutem krokem je namodelovaacuteniacute probleacutemu v trojrozměrneacutem prostoru od
ktereacuteho je očekaacutevaacuteno zohledněniacute dalšiacutech vlivů a tiacutem zpřesněniacute samotneacuteho vyacutesledku
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
53
6 Použitaacute literatura [1] Internetoveacute straacutenky společnosti Loma Systems sro
httpwwwlomacom_czindexshtml
[2] Haacutejek J Jarchovskyacute Z Detektory kovů - naacutevod na stavbu nakladatelstviacute BEN Praha
2010
[3] Beneda L Detektory kovů bakalaacuteřskaacute praacutece ZČU Plzeň 2010
[4] Internetoveacute straacutenky společnosti Ad controls sro
httpwwwadcontrolsczdetektory_kovu_zakladni_pojmy
[5] KOVOHUTĚ ROKYCANY as COMTES FHT as MATEX sro Průběžnaacute
zpraacuteva k projektu FeNi - čj 1021207 - 32 za rok (2007 - 2009)
[6] Ansys Inc ANSYS HELP Release 130 Dokumentace k programu
[7] Karban P a kolektiv autorů Aplikace teoretickeacute elektrotechniky Skripta ZČU Plzeň
2011
[8] Benešovaacute Z Ulrych B Přiacuteručka pro použitiacute programů ve vyacuteuce teorie
elektromagnetickeacuteho pole Skripta ZČU Plzeň 1997
[9] Loma Systems sro Knowledge Base - Interniacute dokumentace společnosti
[10] Internetoveacute straacutenky společnosti Aerospace specification metals Inc
httpasmmatwebcomsearchSpecificMaterialaspbassnum=MQ304A
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
1
7 Přiacutelohy
71 Tvorba geometrie PREP7 prepnuti do rezimu preprocesingu jj=8 index polohy kontaminantu r1=05e-3 polomer Tx vodice 05 mm r2=15e-3 polomer kontaminantu 15 mm c=90e-3 sirka Rx civek h=1767e-3 vzdalenost mezi Tx vinutim hrx=(h2)+526e-3 zakladni vyskova poloha mezi Rx civkami hss=175e-3 vyska nerezoveho krytu wss=150e-3 sirka nerezoveho krytu tss=3e-3 tloustka nerezove steny hd=h-227e-3 vyska detekcniho otvoru wok=1000e-3 sirka vzduchoveho okoli hok=1000e-3 vyska vzduchoveho okoli wkon=(-250e-3)+(jj20e-3) poloha kontaminantu na ose X tvorba geometrickych bodu nerezoveho krytu K1022589e-30 K2022185e-30 K3-7907e-321208e-30 K4-78e-32085e-30 K57907e-321208e-30 K678e-32085e-30 K7-wsshss0 K8-wss+tsshss-tss0 K9wsshss0 K10wss-tsshss-tss0 K11-wss-hss0 K12-wss+tss-hss+tss0 K13wss-hss0 K14wss-tss-hss+tss0 vytvoreni ploch definovanymi body FLST273 FITEM27 FITEM23 FITEM21 FITEM25 FITEM29 FITEM213 FITEM211 AP51X FLST273 FITEM28 FITEM24 FITEM22 FITEM26 FITEM210 FITEM214 FITEM212 AP51X CYL40h2r1 plocha horniho Tx vodice CYL40-h2r1 ploch dolniho Tx vodice BLC50((h2)+hrx)2100e-310e-3 plocha horniho vzduchoveho okoli Tx vodice BLC50-((h2)+hrx)2100e-310e-3 plocha dolniho vzduchoveho okoli Tx vodice BLC5002wsshd plocha detekcniho ootvoru APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch odstraneni ploch ktere budou sjednoceny se vzduchovym okolim
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
2
FLST255ORDE4 FITEM210 FITEM2-12 FITEM215 FITEM218 ADELEP51X BLC500wokhok vytvoreni plochy vzduchoveho okoli APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch CYL4wkon0r2 vytvoreni plochy kontaminantu APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch konec tvorby geometrickeho modelu
72 Definice element ů materiaacutel ů a jejich p řiřazeniacute k plochaacutem definovani materialu MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX11 material 1 Tx permeabilita 1 MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX21 material 2 Air permeabilita 1 MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX31008 material 3 nerezovy kryt SS ANSI 304 permeabilita MPTEMP MPTEMP10 MPDATARSVX372e-7 material 3 nerezoovy kryt SS Ansi 304 rezistivita MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX4400 material 4 Kontaminant permeabilita MPTEMP MPTEMP10 MPDATARSVX4102e-7 material 4 Kontaminant rezistivita definovani elementu ET153 Tx civky ET253 Vzduch ET353 nerezovy kryt ET453 kontaminant nastaveni elementu KEYOPT110 Tx civky KEYOPT120 KEYOPT130 KEYOPT140 KEYOPT150 KEYOPT170 KEYOPT210 Air KEYOPT220 KEYOPT230 KEYOPT240 KEYOPT250 KEYOPT270 KEYOPT310 SS KEYOPT320 KEYOPT330 KEYOPT340 KEYOPT350
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
3
KEYOPT370 KEYOPT410 kontaminant KEYOPT420 KEYOPT430 KEYOPT440 KEYOPT450 KEYOPT470 prirazeni elementu a materialum k plocham FLST525ORDE2 Tx FITEM58 FITEM5-9 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 1 1 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 FLST535ORDE3 Air FITEM53 FITEM516 FITEM5-17 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 2 2 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 FLST525ORDE2 SS FITEM513 FITEM5-14 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 3 3 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 CM_YAREA kontaminant ASEL 1 CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 4 4 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
4
73 Siacuteťovaacuteniacute oblastiacute FLST275ORDE7 FITEM21 FITEM28 FITEM2-9 FITEM213 FITEM2-14 FITEM216 FITEM2-17 AESIZEP51X00005 nastaveni delky steny elementu 00005 m FLST215ORDE1 FITEM23 AESIZEP51X001 nastaveni delky steny elementu 001 m MSHAPE12D nastaveni 2D trojuhelnikove site MSHKEY0 FLST585ORDE8 FITEM51 FITEM53 FITEM58 FITEM5-9 FITEM513 FITEM5-14 FITEM516 FITEM5-17 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CHKMSHAREA CMSELS_Y AMESH_Y1 spusteni automatickeho sitovani CMDELE_Y CMDELE_Y1 CMDELE_Y2
74 Okrajovaacute podmiacutenka a nastaveniacute budiciacuteho pr ůběhu okrajova podminka FLST244ORDE4 FITEM214 FITEM212 FITEM27 FITEM25 DLP51X AZ0 nastaveni zatizeni parametry budici proudove hustoty f=35e3 frekvence signalu [Hz] part=600 pocet kroku signalu T_min=0 pocatek casove osy T_max=1f konec casove osy dt=T_maxpart casovy krok parametry prudove hustoty pi=4atan(1) s=pir12 I=600sqrt(2) N1=1 J1_a=IN1s definovani vzestupne casti pulsu tau=3 DIMJexTABLE5011timeJ Jex(11)=0
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
5
Jex(10)=0 doi2501 Jex(i1)=(J1_a)(1-exp(-itau)) Jex(i0)=(i) enddo definovani sestupne casti pulsu tau=3 DIMJex1TABLE5011timeJ Jex1(11)=J1_a Jex1(10)=0 doi2501 Jex1(i1)=(J1_a)(exp(-itau)) Jex1(i0)=(i) enddo sestaveni celeho pulsu DIMJex2TABLE10011timeJ Jex2(11)=0 Jex2(10)=0 doi2501 Jex2(i1)=Jex(i1) Jex2(i0)=(i) enddo doi511001 Jex2(i1)=Jex1(i-501) Jex2(i0)=(i) enddo priprava nulovych vektoru kladneho a zaporneho prubehu J DIMJ1TABLE60011timeJ DIMmJ1TABLE60011timeJ doi16001 J1(i0)=(i-1)dt time J1(i1)=0 J mJ1(i0)=(i-1)dt time mJ1(i1)=0 -J enddo vlozeni prvniho pulsu doi11001 J1(i1)=Jex2(i1) mJ1(i1)=-Jex2(i1) enddo vlozeni druheho pulsu doi3004001 J1(i1)=-Jex2(i-3001) mJ1(i1)=Jex2(i-3001) enddo prirazeni prubehu k plocham PREP7 FLST215ORDE1 FITEM28 BFAP51XJSJ1 FLST215ORDE1 FITEM29 BFAP51XJSmJ1
75 Nastaveniacute analyacutezy SOL prepnuti do Solution modu - nastaveni analyzy kroku=300 pocet kroku simulace ANTYPE4 TRNOPTFULL
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
6
NSUBSTkroku00 OUTRESERASE OUTRESALL1 TIMET_max solve spusti vypocet ulohy
76 Postprocessing POST1 prepne do Preprocesing modu krokyb=200 pocet kroku na delku coilgapu L=03 delka Rx snimace hrx1=(h2)+10e-3 jednotlive vyskove pozice Rx vinuti hrx2=(h2)+526e-3 hrx3=(h2) hrx4=((h2)-526e-3) hrx5=((h2)-10e-3) vytvoreni pole hodnot - 10 sloupcu x 300 radku sloupce odpovidaji poctu jednotlivych civek 2x5 (5 poloh horni a dolni civka) DIMTOKTABLEkroku101SUBSTEP TOK(00)=0 TOK(01)=0 TOK(02)=0 TOK(03)=0 TOK(04)=0 TOK(05)=0 TOK(06)=0 TOK(07)=0 TOK(08)=0 TOK(09)=0 TOK(010)=0 dok1kroku1 hlavni cyklus pocet cyklu odpovida poctu kroku analyzy APPEND 1 k nacteni k-teho kroku analyzy tato cast kodu je nutna pro kazdou civku zvlast (10x se opakuje) PATHHORNI26krokyb-1 definovani cesty horni civky PPATH10-c2hrx10 levy koncovy bod PPATH20c2hrx10 pravy koncovy bod PDEF BYAVG namapovani Y-slozky magneticke indukce B PCALCINTGINT_HORBYXGL vypocet integralu z By podle dX PBCPATH 0 PAGETHORNI1_TABL ulozeni hodnot ziskanych na definovane ceste do pole HORNI1_ PADELALL smazani cesty i s hodnotamy (pole HORNI1_ zustava) konec opakujici se casti prirazovani posledni hodnoty integralu do prislusneho pole vysledku TOK(k0)=k casova osa TOK(k1)=HORNI1_(krokyb6) TOK(k2)=DOLNI1_(krokyb6) TOK(k3)=HORNI2_(krokyb6) TOK(k4)=DOLNI2_(krokyb6) TOK(k5)=HORNI3_(krokyb6) TOK(k6)=DOLNI3_(krokyb6) TOK(k7)=HORNI4_(krokyb6) TOK(k8)=DOLNI4_(krokyb6) TOK(k9)=HORNI5_(krokyb6) TOK(k10)=DOLNI5_(krokyb6) DELPRM_ smaze vsechny pole vysledku koncici znakem _ enddo konec cyklu zapis_tok odkaz na skript pro zapsani pole vysledku do souboru txt
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
7
77 Makro Vyacutepis makra ktereacute uklaacutedaacute hodnoty do souboru tok_fitxt
MWRITETOK(111)tok_fitxt vytvori soubor tok_fitxt a ulozi do
nej matici vysletku TOK
(10E135) urcuje format zapisu hodnot - 10
sloupcu cisel o celkove delce 13ti
znaku z toho 5 za desetinou teckou
CFCLOS uzavre soubor
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
8
Eviden čniacute list
Souhlasiacutem s tiacutem aby moje bakalaacuteřskaacute praacutece byla půjčovaacutena k prezenčniacutemu studiu v
Univerzitniacute knihově ZČU v Plzni
Datum Podpis
Uživatel stvrzuje svyacutem čitelnyacutem podpisem že tuto bakalaacuteřskou praacuteci použil ke studijniacutem
uacutečelům a prohlašuje že ji uvede mezi použityacutemi prameny
Jmeacuteno Fakultakatedra Datum Podpis
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
Abstract
The objectives of this thesis are focused on a specific group of metal detectors the industry
metal detectors There are the principles used in these devices and their possible variations
described in the introduction This thesis was developed in collaboration with Loma Systems
Inc company Another part is a description of the companys detector and proposal of design
optimization of these devices The main point was to investigate the distribution of the
magnetic field in the detector and its area with concern to the effective shielding
Key words
Industry metal detector transmitter coil receiver coil magnetic field electric field
simulation of fields Ansys sensitivity disturbance of detector
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
Prohlaacutešeniacute
Předklaacutedaacutem tiacutemto k posouzeniacute a obhajobě diplomovou praacuteci zpracovanou na zaacutevěr studia na
Fakultě elektrotechnickeacute Zaacutepadočeskeacute univerzity v Plzni
Prohlašuji že jsem tuto diplomovou praacuteci vypracoval samostatně s použitiacutem odborneacute
literatury a pramenů uvedenyacutech v seznamu kteryacute je součaacutestiacute teacuteto diplomoveacute praacutece
Daacutele prohlašuji že veškeryacute software použityacute při řešeniacute teacuteto diplomoveacute praacutece je legaacutelniacute
V Plzni dne 952012 Jmeacuteno přiacutejmeniacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
Poděkovaacuteniacute
Tiacutemto bych raacuted poděkoval vedouciacutemu bakalaacuteřskeacute praacutece doc Ing Vlastimilu Beranovi CSc
za cenneacute rady připomiacutenky a metodickeacute vedeniacute praacutece daacutele panu Ing Vladimiacuteru Kindlovi
PhD a Ing Jindřichu Kňourkovi za pomoc s programem Ansys společnosti Loma Systems
sro za poskytnutiacute materiaacutelů jejich zařiacutezeniacute a celkoveacuteho zaacutezemiacute pro řešeniacute teacuteto praacutece a v
neposledniacute řadě bych chtěl velmi ocenit přiacutestup k vyacutepočetniacutem kapacitaacutem MetaCentra
poskytovanyacutech v raacutemci programu Projekty velkyacutech infrastruktur pro vyacutezkum vyacutevoj a
inovace LM2010005 financovaacuten Ministerstvem školstviacute mlaacutedeže a tělovyacutechovy Českeacute
republiky
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
8
Obsah SEZNAM SYMBOL Ů 9
UacuteVOD 10
1 ZAacuteKLADNIacute FYZIKAacuteLNIacute PRINCIPY DETEKTOR Ů KOVU11
2 PRINCIPY AKTIVNIacuteCH ELEKTROMAGNETICKYacuteCH DETEKTOR Ů KOVU 12
21 PRINCIP BALANČNIacuteCH DETEKTORŮ12
3 ZAŘIacuteZENIacute SPOLEČNOSTI LOMA SYSTEMS SRO 16
31 OBECNEacute INFORMACE17 32 VYSIacuteLACIacute ČAacuteST - TX 17 33 PŘIJIacuteMACIacute ČAacuteST - RX 21 34 PRINCIP VYHODNOCOVAacuteNIacute22 35 VYVAŽOVAacuteNIacute DETEKTORU 23 36 VYacuteSTUPNIacute KONTROLA 25
4 OPTIMALIZACE A STIacuteN ĚNIacute DETEKTORU 27
41 VYŠETŘOVAacuteNIacute VLIVU POZICE RX VINUTIacute 28 411 Preprocessing - přiacuteprava skriptu 29 412 Postprocessing - ziacuteskaacutevaacuteniacute vyacutesledků 31 413 Hodnoceniacute vyacutesledků 33
42 VYŠETŘOVAacuteNIacute MNOŽSTVIacute VYZAŘOVANEacute ENERGIE43 421 Řešeniacute probleacutemu43 422 Hodnoceniacute vyacutesledků 46
5 ZAacuteVĚR 52
6 POUŽITAacute LITERATURA53
7 PŘIacuteLOHY1
71 TVORBA GEOMETRIE1 72 DEFINICE ELEMENTŮ MATERIAacuteLŮ A JEJICH PŘIŘAZENIacute K PLOCHAacuteM 2 73 SIacuteŤOVAacuteNIacute OBLASTIacute 4 74 OKRAJOVAacute PODMIacuteNKA A NASTAVENIacute BUDICIacuteHO PRŮBĚHU 4 75 NASTAVENIacute ANALYacuteZY 5 76 POSTPROCESSING6 77 MAKRO 7
EVIDENČNIacute LIST 8
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
9
Seznam symbol ů DK (-)helliphelliphelliphelliphellip detektor kovů
f (Hz)helliphelliphelliphellip frekvence
ω (s-1)helliphelliphelliphelliphellip uacutehlovaacute rychlost (frekvence)
ρ (Ωm)helliphelliphelliphellip měrnyacute odpor
micro0 (Hm-1)helliphelliphellip permeabilita vakua (4π10-7)
micror (-)helliphelliphelliphelliphellip poměrnaacute permeabilita
TRhelliphelliphelliphelliphelliphellip transformaacutetor
C (F)helliphelliphelliphelliphellip kapacita
Txhelliphelliphelliphelliphelliphellip transmitter - vysiacutelač
Rxhelliphelliphelliphelliphelliphellip receiver - přijiacutemač
SShelliphelliphelliphelliphellip stainless steel - nerezovaacute ocel
IQ2helliphelliphelliphelliphellip model detektoru společnosti Loma Systems sro
IQ3helliphelliphelliphelliphellip novějšiacute model detektoru společnosti Loma Systems sro
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
10
Uacutevod Po zveřejněniacute bakalaacuteřskeacute praacutece Detektory kovů projevila společnost Loma Systems
sro zaacutejem o spolupraacuteci v oblasti vyacuteroby a vyacutevoje průmyslovyacutech detektorů kovu
Společnosti Loma a Cintex byly založeny před 30 lety a jsou předniacutemi světovyacutemi
producenty v oblasti potravinovyacutech farmaceutickyacutech a textilniacutech kontrolniacutech systeacutemů ndash
detektorů kovu rentgenoveacute kontroly a zařiacutezeniacute kontrolniacuteho vaacuteženiacute Sveacute prestižniacute postaveniacute
ziacuteskaly diacuteky sveacute trvaleacute kvalitě a pokročilyacutem technologiiacutem což je vyacutesledkem neustaacuteleacuteho a
rozsaacutehleacuteho vyacutezkumneacuteho a vyacutevojoveacuteho programu
Hlavniacute siacutedlo je ve Farnborough ve Velkeacute Britaacutenii Vyacutezkumnaacute a vyacutevojovaacute centra jsou
jak ve Velkeacute Britaacutenii tak v Chicagu ve Spojenyacutech staacutetech a nyniacute se zřizuje i zde v Českeacute
republice Většina vyacuteroby je ve Velkeacute Britaacutenii a Chicagu nyniacute se postupně přesouvaacute do nově
zřiacutezeneacute provozovny v Českeacute republice (Dobřany) Společnost maacute takeacute přiacutemeacute prodejniacute a
servisniacute zastoupeniacute ve Francii Německu Nizozemiacute Čiacuteně Kanadě a USA Mimo tyto oblasti
těsně spolupracuje s distributory a podiacuteliacute se vyacuterobou a dodaacutevkami součaacutestek pro vyacuterobce ve
viacutece než 35 zemiacutech po celeacutem světě aby zajistila že se zaacutekazniacutekům dostaacutevaacute plneacuteho servisu a
podpory ať už se nachaacutezejiacute kdekoliv [1]
Ciacutelem společnosti je vytvořeniacute kolektivu pracovniacuteků v ČR kteřiacute se již v teorii detekce
kovů orientujiacute a jsou schopni pracovat na probleacutemech a slabyacutech straacutenkaacutech vyacuteroby a podiacutelet se
na vyacutevoji novyacutech detektorů Po dohodě byl vymezen okruh probleacutemů ve kteryacutech by bylo
vhodneacute proveacutest určitaacute zlepšeniacute jak po straacutence technickeacute tak technologickeacute s ohledem na
ekonomickeacute uacutespory a zlepšeniacute vyacuterobniacuteho procesu
V teacuteto praacuteci je uveden popis principu staacutevajiacuteciacuteho zařiacutezeniacute společnosti Loma Systems
sro postup vyšetřovaacuteniacute magnetickeacuteho pole tohoto zařiacutezeniacute a naacutevrh optimalizace z pohledu
zlepšeniacute kvality detekce a stiacuteněniacute elektromagnetickeacuteho pole
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
11
1 Zaacutekladniacute fyzikaacutelniacute principy detektor ů kovu Principy detektorů kovů jsou založeny na využiacutevaacuteniacute specifickyacutech vlastnostiacute kovů
Kovy se od okolniacutech materiaacutelů lišiacute hlavně
bull měrnyacutem elektrickyacutem odporem
bull magnetickyacutemi vlastnostmi
Většina hledanyacutech objektů je energeticky pasivniacute proto je pro jejich detekci potřeba
energii dodaacutevat Dodaacutevanaacute energie je většinou vyzařovaacutena detektorem čaacutestiacute kteraacute maacute funkci
vysiacutelače Vysiacutelanaacute energie může byacutet akustickaacute na tomto principu funguje sonar nebo
elektromagnetickaacute což je princip většiny detektorů od radarů přes průmysloveacute detektory až k
tzv minohledačkaacutem Zde se využiacutevaacute vyacuteše jmenovanyacutech odlišnostiacute ktereacute majiacute vliv na
pohlcenou odraacuteženou a zbytkovou energii kteraacute je detekovanyacutem objektem vyzařovaacutena zpět
nebo jinyacutem způsobem deformuje elektromagnetickeacute pole Množstviacute pohlceneacute energie je daacuteno
matematickyacutem vyacuterazem (11) kteryacute určuje tzv hloubku vniku δ ve ktereacute se přivedenaacute energie
vlivem viacuteřivyacutech proudů sniacutežiacute na polovinu
( )mmicroωρδ
sdotsdot= 2
(11)
kde micro = micro0 micror
Vyacuteraz (11) je třeba uvažovat při řešeniacute energie pohlceneacute nebo odraacuteženeacute z hlediska volby
frekvence vysiacutelaneacute energie neboť
( )12 minussdotsdot= sfπω (12)
Druhou skupinu tvořiacute objekty ktereacute do sveacuteho okoliacute nějakou formou energii vyzařujiacute
Vyzařovanaacute energie může byacutet
bull akustickaacute (lokalizovaacuteniacute polohy ponorek)
bull elektromagnetickaacute (vyzařovaacuteniacute většiny elektrickyacutech zařiacutezeniacute točivyacutech i netočivyacutech
lokalizovaacuteniacute letadel ndash systeacutem TAMARA)
bull tepelnaacute (termovize tepelneacute navaacuteděniacute řiacutezenyacutech střel)
bull gama zaacuteřeniacute (vyhledaacutevaacuteniacute izotopů)
Zvlaacuteštniacutem přiacutepadem je situace kdy hledanyacute objekt i detektor jsou pasivniacute a k detekci je
využiacutevaacutena změna energie z ciziacuteho zdroje Konkreacutetniacutem přiacutepadem je přiacutestroj nazyacutevanyacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
12
magnetometr kteryacute detekuje objekty na zaacutekladě změny intenzity magnetickeacuteho pole země
vyvolaneacute hledanyacutem objektem Deformaci magnetickeacuteho pole země nezpůsobujiacute pouze kovy
ale i jineacute nehomogenity jako jsou jeskyně dutiny nebo remanentniacute magnetickeacute pole [2]
2 Principy aktivniacutech elektromagnetickyacutech detektor ů kovu
Pro detekci jsou obecně využiacutevaacuteny změny sniacutemaneacute veličiny ktereacute jsou způsobeny
hledanyacutem předmětem materiaacutelem Při vyhledaacutevaacuteniacute objektů elektromagnetickyacutem polem se
využiacutevaacute dvou materiaacutelovyacutech vlastnostiacute způsobujiacuteciacute jeho deformaci Zaprveacute je to deformace
pole feromagnetickyacutem materiaacutelem (např permaloy ferit železo) jehož magnetickaacute vodivost
převyšuje vodivost elektrickou a způsobuje soustředěniacute siločar pole do objektu obr 21
Obr 21 Feromagnetickyacute objekt Obr 22 Neferomagnetickyacute objekt
Materiaacutely u kteryacutech převyšuje elektrickaacute vodivost nad magnetickou (např měď hliniacutek)
uplatňujiacute druhyacute princip a tiacutem je deformace původniacuteho pole polem sekundaacuterniacutem Sekundaacuterniacute
pole vznikaacute viacuteřivyacutemi proudy naindukovanyacutemi ve vodiveacutem předmětu vystaveneacutemu původniacutemu
poli Ze zaacutekona o zachovaacuteniacute energie plyne že sekundaacuterniacute pole působiacute proti původniacutemu
Naacutesledkem tohoto jevu dojde k obtečeniacute objektu siločarami původniacuteho vyzařovaneacuteho pole
obr 22 [3]
21 Princip balan čniacutech detektor ů Většina průmyslovyacutech detektorů kovu pracuje na balančniacutem principu podrobnyacute popis
ostatniacutech principů je uveden napřiacuteklad ve [3]
Tento princip je založen na vyvaacuteženyacutech (vybalancovanyacutech) ciacutevkaacutech (IB ndash Induction
Balance) Z toho plyne že hledaciacute sonda je složena z minimaacutelně dvou ciacutevek popřiacutepadě dvou
systeacutemů ciacutevek z nichž jeden je vysiacutelaciacute a druhyacute pracuje jako přijiacutemač (Transmitter Receiver
ndash TR) Tyto detektory byacutevajiacute označovaacuteny TR-IB V přiacutepadě dvou ciacutevek je přijiacutemaciacute ciacutevka
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
13
umiacutestěna vzhledem k vysiacutelaciacute ciacutevce tak že naindukovaneacute napětiacute při nepřiacutetomnosti kovu je
rovno nule tzv uspořaacutedaacuteniacute překryacutevanyacutech ciacutevek tvaru D Stejneacuteho efektu lze dosaacutehnou při
pozici ciacutevek vzaacutejemně pootočenyacutech o 90deg Jestliže je na straně přiacutejmu soustava dvou ciacutevek
umiacutestiacute se vzhledem k vysiacutelaciacute ciacutevce tak že v nepřiacutetomnosti kovu se do ciacutevek indukuje stejně
velkeacute napětiacute ktereacute se mezi sebou odečte Rozdiacutelu obou napětiacute na přijiacutemaciacutech ciacutevkaacutech je roven
nule (obr 23)
Obr 23 Uspořaacutedaacuteniacute systeacutemu ciacutevek Jakaacutekoliv deformace pole vysiacutelaciacute ciacutevky maacute za naacutesledek porušeniacute rovnovaacutehy a na přijiacutemaciacute
straně se objeviacute napětiacute indikujiacuteciacute přiacutetomnost kovu Indukovaneacute napětiacute v přijiacutemaciacute ciacutevce lze
matematicky popsat vztahem (21)
( )ϕω +sdotsdot= tAU sin (21)
kde A amplituda signaacutelu
ω uacutehlovaacute frekvence signaacutelu
φ faacutezovyacute posuv oproti vysiacutelaneacutemu signaacutelu
Pokud se pod ciacutevkami nachaacuteziacute elektricky vodivyacute objekt z neferomagnetickeacuteho
materiaacutelu je pole deformovaacuteno sekundaacuterniacutem polem způsobenyacutem viacuteřivyacutemi proudy ktereacute
působiacute proti poli původniacutemu Pak přijiacutemaneacute napětiacute UPN v přijiacutemaciacute ciacutevce bude miacutet maximaacutelniacute
hodnotu v okamžiku největšiacute změny vysiacutelaneacuteho napětiacute UV V přiacutepadě indikace
feromagnetickeacuteho materiaacutelu je indukovaneacute napětiacute UPF ve faacutezi s vysiacutelaciacutem napětiacutem Protože je
v praxi nemožneacute dosaacutehnout absolutniacuteho vyvaacuteženiacute ciacutevek bude v přijiacutemaciacute ciacutevce vždy nějakeacute
maleacute napětiacute Na obr 24 jsou ideaacutelniacute přijiacutemaneacute signaacutely pro různeacute druhy kontaminantů U
obecnyacutech materiaacutelů se ve skutečnosti uplatňujiacute jak feromagnetickeacute vlastnosti tak vodivostniacute
Z tohoto důvodu bude miacutet napětiacute UP indukovaneacute v přijiacutemaciacute ciacutevce faacutezovyacute posuv oproti
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
14
vysiacutelaneacutemu v intervalu
20π
[2]
Obr 24 Průběhy napětiacute UV ndash vysiacutelaneacute napětiacute UPF ndash ideaacutelniacute přijiacutemaneacute napětiacute (feromagnetickyacute materiaacutel) UPN ndash ideaacutelniacute přijiacutemaneacute napětiacute (neferomagnetickyacute materiaacutel) UP ndash skutečneacute přijiacutemaneacute napětiacute [2]
Existujiacute různeacute možnosti dociacuteleniacute nuloveacuteho klidoveacuteho přenosu mezi ciacutevkami Zaprveacute
prostorovyacutem odděleniacutem kdy osy ciacutevek mezi sebou sviacuterajiacute uacutehel 90deg vysiacutelaciacute ciacutevka je uložena
svisle a přijiacutemaciacute ciacutevka vodorovně obr 25 Tyto detektory byly nazyacutevaacuteny bdquoTwo boxldquo [2]
Obr 25 Princip prostoroveacuteho uspořaacutedaacuteniacute 90deg ciacutevek [2]
V druheacutem přiacutepadě jsou obě ciacutevky uloženy vodorovně ale jejich prostoroveacute uspořaacutedaacuteniacute se voliacute
takoveacute aby byla vzaacutejemnaacute indukčnost nulovaacute Toho je dociacuteleno tiacutem že přijiacutemaciacute ciacutevkou
U (V)
t (s)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
15
prochaacuteziacute stejneacute množstviacute siločar vysiacutelaciacute ciacutevky v jednom i druheacutem směru a tiacutem dochaacuteziacute ke
kompenzaci (vyrušeniacute) jejich uacutečinku obr 26
Obr 26 Princip prostoroveacuteho uspořaacutedaacuteniacute překryacutevajiacuteciacutech se ciacutevek [2]
Společnosti vyraacutebějiacuteciacute průmysloveacute detektory kovů majiacute většinou sveacute specifickeacute uspořaacutedaacuteniacute
ciacutevek
Obr 27 Viacutece ciacutevkoveacute uspořaacutedaacuteniacute detektoru společnosti Ad controls sro a jeho skutečneacute provedeniacute [4]
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
16
Obr 28 Třiacute ciacutevkoveacute uspořaacutedaacuteniacute detektoru společnosti Loma Systems sro
Kvalita detektoru je daacutena předevšiacutem ciacutevkovou soustavou a neměnnostiacute jejiacutech vlastnostiacute a daacutele
volbou pracovniacuteho kmitočtu Špičkou mezi dnešniacutemi detektory jsou zařiacutezeniacute umožňujiacuteciacute
činnost při různyacutech budiacuteciacutech kmitočtech Vyacutehodou těchto systeacutemů je možnost použiacutevat viacutece
zařiacutezeniacute bliacutezko u sebe a hlavně možnost použitiacute různyacutech frekvenciacute pro rozdiacutelneacute produkty s
ohledem na citlivost a kvalitu detekce
3 Zařiacutezeniacute spole čnosti Loma Systems sro Podmiacutenkou k dalšiacute vyacutevojoveacute činnosti je podrobnaacute znalost vyraacuteběnyacutech zařiacutezeniacute a
vyacuterobniacutech technologiiacute v daneacutem podniku
Obr 31 Detektor kovů IQ3 s dotykovyacutem ovlaacutedaacuteniacutem společnosti Loma Systems sro [1]
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
17
31 Obecneacute informace Jsou vyraacuteběny dva typy detektorů ktereacute pracujiacute na stejneacutem principu ale lišiacute se
vysiacutelaciacutemi průběhy budiacuteciacuteho napětiacute a možnostiacute pracovat na různyacutech kmitočtech
Staršiacute model označenyacute jako IQ2 je vyraacuteběnyacute ve třech variantaacutech jako farmaceutickyacute
detektor detektor s volnyacutem propadem produktu nebo detektor s produktem dopravovanyacutem
potrubiacutem Posledniacute dva jmenovaneacute jsou takeacute vyraacuteběny na zaacutekladě technologie IQ3 Tento
systeacutem umožňuje činnost detektoru na různyacutech budiacuteciacutech kmitočtech a je použit hlavně u
dopravniacutekovyacutech detektorů Detektor IQ2 pracuje na neměnneacute frekvenci 1 MHz
Dopravniacutekoveacute detektory jsou vyraacuteběny ve dvou variantaacutech normaacutelniacute (detekčniacute otvor
maacute stěny opatřeneacute vrstvou modreacuteho epoxidu) a detektory pro extreacutemně nepřiacutezniveacute podmiacutenky
(stěny detekčniacuteho otvoru jsou pokryty odolnyacutem plastem) ktereacute odolaacutevajiacute i vysokotlakeacutemu
vodniacutemu čištěniacute Obě varianty jsou vhodneacute i pro použitiacute v potravinaacuteřskeacutem průmyslu
Všechny detektory jsou schopny pracovat při siacuteťoveacutem napětiacute 110115200220230 V
50 nebo 60 Hz 1f 380400 V 5060 Hz 3f a majiacute stupeň krytiacute IP 69K což umožňuje uacutedržbu
vysokotlakyacutemi vodniacutemi čističi Ovlaacutedaacuteniacute a komunikace s detektorem je zajištěna LCD
displejem s tlačiacutetky nebo displejem dotykovyacutem Každyacute detektor je vybaven releacuteovyacutemi
vyacutestupy jimiž je možno ovlaacutedat chod dopravniacuteku vyřazovaciacute systeacutem signalizačniacute lampy či
klakson
Detektor jako takovyacute se sklaacutedaacute z jedneacute čaacutesti kde je jak samotnyacute detekčniacute otvor tak i
veškeraacute elektronika Detekčniacute otvor tvořiacute jaacutedro z tvrzeneacuteho papiacuteru (Tufnol) do ktereacuteho jsou
vlepeny vodiče ciacutevek Stěny detekčniacuteho otvoru jsou opatřeny modryacutem epoxidem nebo biacutelyacutem
polyethylenem (Acetal) kteryacute maacute většiacute mechanickou odolnost Celeacute zařiacutezeniacute je uzavřeno v
obalu z nerezoveacute oceli ANSI 304 (DIN 14301) tloušťky 3 mm Prostor mezi jaacutedrem a
nerezovyacutem obalem je vyplňovaacuten pěnivyacutem epoxidem
Elektronika detektoru obsahuje tři desky plošnyacutech spojů a ovlaacutedaciacute displej Hlavniacute
čaacutestiacute je řiacutediacuteciacute deska (Control board) na ktereacute se nachaacuteziacute blok napaacutejeciacuteho zdroje
vyhodnocovaciacute obvody paměti AD převodniacuteky signaacutelu a vstupniacutevyacutestupniacute obvody Dalšiacutemi
čaacutestmi jsou vysiacutelaciacute deska (Transmitter board) a deska přijiacutemače (Receiver board)
32 Vysiacutelaciacute čaacutest - Tx Postupneacute upouštěniacute od vyacuteroby zastaraleacute verze detektorů IQ2 je důvodem pro zaměřeniacute
teacuteto praacutece na detektory IQ3 Systeacutem IQ3 je multifrekvenčniacute založenyacute na balančniacutem principu
Oproti standardniacutem balančniacutem detektorům je zde vysiacutelaciacute ciacutevka buzena nespojityacutem signaacutelem
Vyacutehodou použitiacute tohoto signaacutelu je snadnaacute změna frekvence možnost řiacutezeniacute vysiacutelaciacuteho vyacutekonu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
18
a celkoveacute zvyacutešeniacute kvality detekce neboť rychlyacutem změnaacutem budiacuteciacuteho proudu odpoviacutedaacute velkaacute
změna magnetickeacuteho indukčniacuteho toku Dle Faradayova indukčniacuteho zaacutekona je velikost
indukovaneacuteho napětiacute daacutena rychlostiacute změny magnetickeacuteho indukčniacuteho toku (31)
tU i ∆
∆Φminus= (31)
Činnost Tx boardu (vysiacutelaciacute desky) je řiacutezena mikrokontrolerem kteryacute komunikuje s
Control boardem seacuteriovyacutem rozhraniacutem Deska umožňuje kontrolu napaacutejeniacute vysiacutelaciacuteho proudu
teploty a přiacutepadneacute přerušeniacute Tx vinutiacute (vysiacutelaciacute ciacutevky) Mikrokontroler řiacutediacute jak vysiacutelaciacute
průběh tak vyhodnocovaciacute obvody ktereacute jsou na Rx boardu (přijiacutemaciacute deska)
Na Tx board jsou přivaacuteděna napětiacute 12 V -12 V proti zemi použiacutevanaacute k buzeniacute Tx
vinutiacute Z kladneacuteho napětiacute se daacutele ziacuteskaacutevaacute napětiacute 33 V a 18 V pro napaacutejeniacute ostatniacutech obvodů
Budiacuteciacute signaacutel je kvůli požadovaneacutemu vysokeacutemu pulsniacutemu vyacutekonu odebiacuteraacuten z kondenzaacutetoroveacute
baterie Velikost odebiacuteraneacuteho proudu je měřena operačniacutem zesilovačem zapojenyacutem jako
převodniacutek IU
Vyacutekonovaacute čaacutest Tx boardu je tvořena čtyřmi MOSFET tranzistory řiacutezenyacutemi
mikrokontrolerem Vyacutekonoveacute tranzistory T1 až T4 jsou zapojeny dle obr 32
Obr 32 Zapojeniacute koncoveacute čaacutesti vysiacutelače
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
19
Vysiacutelaciacute ciacutevka je tvořena pouze jedniacutem zaacutevitem Cu draacutetu ϕ 1 mm jeho indukčnost a kapacita
je vzhledem k jeho vodivosti zanedbatelnaacute a při nižšiacutech frekvenciacutech se tedy chovaacute jako zkrat
Pokud je časovyacute posuv mezi U1 a U2 roven nule pak napětiacute UTX je takeacute rovno nule a Tx
ciacutevkou neteče žaacutednyacute proud obr 33
-12
-8
-4
0
4
8
12
16U1 (V)
-16
-12
-8
-4
0
4
8
12
16
000E+00 100E-05 200E-05 300E-05 400E-05 500E-05 600E-05
čas (s)
U2 (V)
Obr 331 Průběhy signaacutelů U1 a U2 přivaacuteděnyacutech na vyacutevody Tx vinutiacute V detektoru by se dala naměřit pouze elektrickaacute složka pole odpoviacutedajiacuteciacute původniacutemu signaacutelu
Pro detekci kovu je však důležiteacute elektromagnetickeacute pole kteraacute vznikaacute průchodem proudu
vinutiacutem Proudoveacuteho impulsu je dosaženo časovyacutem posunem mezi napětiacutemi U1 a U2
přivaacuteděnyacutemi na svorky Tx vinutiacute V tomto přiacutepadě potečou zkratoveacute proudoveacute pulsy
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
20
odpoviacutedajiacuteciacute připojeneacutemu napětiacute UTX viz obr 34 Vyacutekon detektoru je tedy řiacutezen časovyacutem
posunem mezi průběhy napětiacute U1 a U2 Tomuto časoveacutemu posuvu pak odpoviacutedaacute i velikost
odebiacuteraneacuteho proudu do Tx vinutiacute
-12
-8
-4
0
4
8
12
16U1 (V)
-12
-8
-4
0
4
8
12
16U2 (V)
000E+00 100E-05 200E-05 300E-05 400E-05 500E-05 600E-05
Čas (s)
I (A)
Obr 34 Časově posunutaacute napětiacute U1 U2 přivaacuteděnaacute na vyacutevody Tx vinutiacute a průběh proudu I v Tx vinutiacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
21
33 Přijiacutemaciacute čaacutest - Rx Zaacutekladem přijiacutemaciacute čaacutesti je soustava složenaacute ze dvou paralelně spojenyacutech Rx ciacutevek
podle obr 35 každaacute se dvěma zaacutevity U tohoto uspořaacutedaacuteniacute hraje důležitou roli smysl vinutiacute
Rx ciacutevek (označeniacute počaacutetku a konce vinutiacute) a jejich přesnaacute poloha Tx musiacute prochaacutezet přesně
v jedneacute polovině vzdaacutelenosti l
Obr 35 Geometrickeacute uspořaacutedaacuteniacute je voleno tak že pokud neprochaacuteziacute detektorem kontaminant napětiacute
indukovaneacute napaacutejenou ciacutevkou Tx do Rx ciacutevek je minimaacutelniacute
Jak bylo řečeno v kapitole 32 pro detekci kovu je podstatneacute elektromagnetickeacute pole
Elektrickeacute pole je odstraněno na primaacuterniacutem vinutiacute vstupniacuteho transformaacutetoru TR s dvojityacutem
primaacuterniacutem vinutiacutem zapojenyacutem proti sobě v poměru k sekundaacuterniacutemu vinutiacute 1+130 umiacutestěnyacutem
na Rx boardu Na obraacutezku 36 je zapojeniacute vstupniacuteho obvodu Rx boardu Elektrickaacute složka
pole maacute vůči zemi na obou vyacutevodech Rx ciacutevek stejnyacute průběh Primaacuterniacute vinutiacute TR maacute
vyvedenyacute střed na zem čiacutemž se elektrickaacute složka pole uzemniacute (teče proud) Protože jsou
Rx1 ciacutevka
Rx2 ciacutevka
Tx ciacutevka
l
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
22
průběhy na obou vyacutevodech stejneacute magnetickeacute toky v TR vyvolaneacute proudem působiacute proti sobě
a na sekundaacuterniacute vinutiacute se neindukuje žaacutedneacute napětiacute Dojde-li k narušeniacute magnetickeacuteho pole
uvnitř detekčniacuteho prostoru vznikaacute rozdiacutel naindukovaneacuteho napětiacute v leveacutem a praveacutem vodiči Rx
ciacutevky Tento rozdiacutel napětiacute maacute za naacutesledek tok proudu kteryacute se uzaviacuteraacute přes primaacuterniacute vinutiacute
TR1 a indukuje napětiacute na sekundaacuterniacute straně Toto napětiacute je daacutele zpracovaacutevaacuteno
Obr 36 Vstupniacute obvod Rx boardu
34 Princip vyhodnocovaacuteniacute Signaacutel na sekundaacuterniacutem vinutiacute transformaacutetoru TR je zpracovaacutevaacuten blokem obvodů pro
uacutepravu signaacutelu Ten obsahuje aktivniacute filtr a integračniacute člen s niacutezko-šumovyacutem operačniacutem
zesilovačem Za integračniacutem členem je měřiciacute bod kteryacute je využit při oživovaacuteniacute detektorů
Napětiacute Ub (balance signal) v tomto bodě se zobrazuje na osciloskopu a jeho maximaacutelniacute
hodnota by neměla přesaacutehnout 6 V špička - špička Čiacutem je rozkmit toho napětiacute nižšiacute tiacutem lze
dosaacutehnout vyššiacute citlivosti detektoru (kap 35 Vyvažovaacuteniacute detektoru) Nuloveacuteho rozkmitu
nelze dosaacutehnout mimo jineacute kvůli vyacuterobniacutem toleranciacutem zařiacutezeniacute a nehomogenitaacutem Citlivost
elektronickyacutech čaacutestiacute je velmi vysokaacute a uplatňujiacute se rušiveacute vlivy při jejich činnosti (vliv
teploty mechanickeacute chvěniacute) Napětiacute Ub odpoviacutedaacute vyrovnaacutevaciacutemu proudu v Rx ciacutevkaacutech
Přiacuteklad jeho průběhu bez kontaminantu je na obr 37
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
23
Obr 37 Přiacuteklad průběhu napětiacute Ub
Napětiacute Ub je přivaacuteděno na dva samostatneacute elektronickeacute obvody (řiacutezeneacute usměrňovače)
ovlaacutedaneacute řiacutediacuteciacutemi napětiacutemi z mikrokontroleru (na Tx boardu) Dvě řiacutediacuteciacute napětiacute jednoho
usměrňovače jsou vůči sobě o π posunuty a zaacuteroveň jsou posunuty o π2 proti dvěma řiacutediacuteciacutem
napětiacutem druheacuteho usměrňovače Vyacutesledkem jsou dva napěťoveacute signaacutely (P a Q) ktereacute jsou daacutele
zpracovaacutevaacuteny (integrace zesiacuteleniacute) s možnostiacute ručniacute volby zesiacuteleniacute ve čtyřech stupniacutech
(ovlaacutedaacuteniacute citlivosti detektoru) Tyto signaacutely jsou již nositelem informace a jsou na Control
boardu převedeny do digitaacutelniacute podoby Takto upraveneacute signaacutely jsou vyhodnocovaacuteny
algoritmy v hlavniacutem mikrokontroleru
35 Vyvažovaacuteniacute detektoru Zaacutekladem kvalitniacute a stabilniacute detekce je ciacutevkovyacute systeacutem Aby se dosaacutehlo co nejlepšiacuteho
vyvaacuteženiacute ciacutevek je nutnaacute přesnaacute bytelnaacute a rozměrově staacutelaacute konstrukce Detektory společnosti
Loma Systems sro majiacute ciacutevky uloženeacute ve vyfreacutezovanyacutech draacutežkaacutech a zajištěneacute epoxidovyacutem
lepidlem I přes to je detektor po osazeniacute elektronikou značně nevyvaacuteženyacute balančniacute napětiacute Ub
překračuje požadovanou hodnotu 6 V špička - špička natolik že může dojiacutet i k saturaci
elektronickyacutech obvodů Je tedy nutneacute ciacutevkovyacute systeacutem vyvaacutežit (vybalancovat)
Nejprve se provede hrubeacute laděniacute spočiacutevajiacuteciacute v tvarovaacuteniacute maleacute smyčky Tx vinutiacute v čele
detektoru obr 38
0 T2 T
25 V Ub
-25 V
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
24
Obr 38 Vyvažovaciacute očko na Tx vinutiacute a vlepenyacute pliacutešek uvnitř detekčniacuteho otvoru
Tato smyčka plniacute funkci kompenzačniacuteho vinutiacute po natvarovaacuteniacute je očko zaliteacute epoxidovyacutem
lepidlem U detektorů s vnitřniacute uacutepravou detekčniacuteho otvoru modryacutem epoxidem se do
detekčniacuteho otvoru daacutele vlepujiacute vyvažovaciacute pliacutešky různyacutech tvarů a velikostiacute (od 1 cm2 do 4
cm2) obr 38 ktereacute se naacutesledně zalijiacute do roviny modryacutem epoxidem Jako materiaacutel
vyvažovaciacutech pliacutešků je použita nerezovaacute ocel ANSI 304 (DIN 14301) tloušťky 2 mm Druhyacute
typ detektorů s odolnyacutem plastovyacutem povrchem (typ US) neumožňuje vlepovaacuteniacute pliacutešků
dovnitř detekčniacuteho otvoru Balancovaacuteniacute se tedy provaacutediacute přesnějšiacutem tvarovaacuteniacutem Tx očka
popřiacutepadě vlepovaacuteniacutem pliacutešků v jeho okoliacute
Pro jemneacute doladěniacute se u obou těchto variant (US typ a klasickyacute s modrou epoxidovou
vyacuteplniacute detekčniacuteho otvoru) osazujiacute balančniacute moduly obr 39 ktereacute na plastoveacutem otočneacutem diacutelu
majiacute tuning block o rozměrech cca 05 cm2 z 5 mm tlusteacuteho nerezu Oba balančniacute moduly
umožňujiacute pohyb tuning blocku v okoliacute vyvažovaciacuteho očka
Obr 39 Balančniacute moduly i s kryciacutemi plechy vlevo US vpravo klasickyacute
Tyto moduly nejsou přiacuteliš efektivniacute a sloužiacute pouze k miacuterneacutemu vyvaacuteženiacute Použiacutevajiacute se dva typy
Tuning block
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
25
těchto modulů podle varianty vnitřniacute vyacuteplně detektoru (US typ a klasickyacute s modrou
epoxidovou vyacuteplniacute detekčniacuteho otvoru) Jedniacutem z přijatyacutech naacutevrhů pro vylepšeniacute detektorů s
modrou epoxidovou vyacuteplniacute je použitiacute stejneacuteho balančniacuteho modulu jako u detektoru typu US
Vyacuterobniacute cena US balančniacuteho modulu je podstatně nižšiacute a umožňuje změnu polohy
vyvažovaciacuteho diacutelu nejen po obvodu kružnice ale i změnu vzdaacutelenosti mezi rovinami očka a
tuning bloku Změna teacuteto vzdaacutelenosti se využije v přiacutepadě kdy po osazeniacute detektoru s modrou
epoxidovou pryskyřiciacute balančniacutem modulem dojde ke zhoršeniacute vyvaacuteženiacute ktereacute pouhyacutem
natočeniacutem po kružnici nelze vykompenzovat Použiacutevaacuteniacutem pouze balančniacuteho modulu typu
US by se dosaacutehlo sniacuteženiacute počtu součaacutestek ve vyacuterobniacutem procesu sniacuteženiacute naacutekladů na vyacuterobu
detektoru s modrou epoxidovou vyacuteplniacute detekčniacuteho prostoru a odstranil by se i probleacutem
vznikajiacuteciacute při osazeniacute těchto detektorů balančniacutemi moduly
Dalšiacute naacutevrh se tyacutekal materiaacutelu použiteacuteho na tuning block Snahou bylo zvyacutešit vliv
tuning bloku natolik aby bylo možneacute vynechat kompenzačniacute očko čiacutemž by došlo k urychleniacute
laděniacute Byly testovaacuteny materiaacutely FeNi47ln5 tloušťky 03 mm a FeNi42 tloušťky 04 mm Byl
zvolen tvar kteryacute umožňoval použitiacute staacutevajiacuteciacutech US modulů obr 310 Vliv tuning blocků
se sice zvyacutešil nicmeacuteně ne natolik aby mohlo byacutet vyvažovaciacute očko zcela vynechaacuteno
Obr 310 Prototypy tuning blocků z novyacutech materiaacutelů
36 Vyacutestupniacute kontrola Před samotnou expediciacute detektoru je nutneacute proveacutest kontrolu detekce Kvalita detekce
je ověřovaacutena třemi typy kontaminantů neželeznyacute - NONFE (mosaz) železnyacute - FE (chromovaacute
ocel) a nerezovyacute - SS (ANSI 304) K tomu jsou určeny přiacutepravky na obr 311 a 312 Jednaacute
se o kuličky definovanyacutech průměrů ktereacute jsou zaliteacute v plastovyacutech tyčinkaacutech opatřenyacutech
rozměrovou specifikaciacute kontaminantu Barva tyček odlišuje použityacute typ kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
26
Obr 311 Testovaciacute vzorky pro dopravniacutekoveacute detektory
Obr 312 Testovaciacute vzorky pro farmaceutickeacute detektory
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
27
4 Optimalizace a stiacuten ěniacute detektoru Jedniacutem z bodů teacuteto praacutece je navrženiacute optimalizaciacute průmysloveacuteho detektoru kovu z
hlediska kvality detekce a vyšetřeniacute elektromagnetickeacuteho pole s ohledem na rušiveacute vlivy Z
počaacutetku byly provaacuteděny pokusy se stiacuteněniacutem ciacutevek s ohledem na rušeniacute vnějšiacutem
elektromagnetickyacutem polem Prvniacute uacutevahy vedly k použitiacute stiacuteniacuteciacuteho materiaacutelu s velkou
permeabilitou kteryacute by do sebe soustředil většiacute množstviacute indukčniacutech čar unikajiacuteciacutech do okoliacute
a tiacutem omezil vnějšiacute rušeniacute Na zaacutekladě teacuteto uacutevahy byly testovaacuteny dva materiaacutely FeNi47ln5
tloušťky 03 mm a FeNi42 tloušťky 04 mm ktereacute mohou dosahovat relativniacute permeability až
micror_12106 [5] Těmito pokusy se sice sniacutežilo množstviacute indukčniacutech čar magnetickeacuteho pole
unikajiacuteciacuteho z detektoru ale vlivem přiacuteliš velkeacute permeability bylo ovlivněno i pole uvnitř
detekčniacuteho prostoru kde došlo ke sniacuteženiacute citlivosti Tento naacutevrh měl dalšiacute negativniacute faktory
jako je vysokaacute cena použityacutech materiaacutelů a omezeneacute vyacuterobniacute možnosti nedostačujiacuteciacute šiacuteřkou
paacutesů což by vedlo ke sklaacutedaacuteniacute plechů vedle sebe a tiacutem ke vzniku nehomogenit
Aby byly optimalizace efektivniacute je třeba znaacutet rozloženiacute elektromagnetickeacuteho pole
uvnitř detektoru a vlivy ktereacute na něj působiacute Proto bylo přistoupeno k využitiacute počiacutetačoveacuteho
softwaru Ansys Jednaacute se o profesionaacutelniacute software založenyacute na metodě konečnyacutech prvků Je
určen předevšiacutem pro simulace mechanickeacuteho namaacutehaacuteniacute ale umožňuje i řešeniacute teplotniacutech
elektromagnetickyacutech a sdruženyacutech poliacute [6] Ansys byl vybraacuten předevšiacutem pro možnost řešeniacute i
3D probleacutemů V teacuteto praacuteci bylo z důvodů vyacutepočetniacute naacuteročnosti a velkeacuteho množstviacute
jednotlivyacutech vyacutepočtů přistoupeno k řešeniacute probleacutemu pouze ve dvourozměrneacutem prostoru V
tomto přiacutepadě je řešeno nestacionaacuterniacute magnetickeacute pole ktereacute popisuje rovnice (41) [7]
( ) extr JArotdt
dABArotrot =timesminus+
minus γυγmicro1
(41)
kde
BArot = (42)
A magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel
micro permeabilita
Br remanentniacute indukce
B magnetickaacute indukce
γ měrnaacute elektrickaacute vodivost
ν rychlost pohybu tělesa v magnetickeacutem poli
Jext vektor vnějšiacute proudoveacute hustoty
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
28
41 Vyšet řovaacuteniacute vlivu pozice Rx vinutiacute Nejprve byly provedeny simulace staacutevajiacuteciacuteho zařiacutezeniacute o rozměrech detekčniacuteho otvoru
150 mm x 350 mm Zaacutekladniacute geometrie probleacutemu je na obraacutezku 41 Pro řešeniacute zaacutekladniacuteho
probleacutemu by bylo možneacute použiacutet symetrii modelu pokud však model doplniacuteme o kontaminant
možnost teacuteto symetrie odpadaacute Byly provedeny tři seacuterie vyacutepočtů ktereacute se lišily materiaacutelem
kontaminantu Každaacute seacuterie se sklaacutedala z 24 samostatnyacutech vyacutepočtů ve kteryacutech se postupně
měnila pozice kontaminantu tak jako je tomu při skutečneacute situaci na dopravniacutem paacutesu
Použityacutem APDL skriptem by bylo možneacute řešit i průchody kontaminantu v různyacutech vyacuteškaacutech
detekčniacuteho otvoru Pro potřeby těchto vyacutepočtů byl průchod zvolen středem jelikož je zde
citlivost detektoru nejnižšiacute Nutno poukaacutezat na skutečnost že kontaminant reprezentovanyacute
kružniciacute v řezu detektoru nelze považovat za kulovyacute nyacutebrž za vodič kruhoveacuteho průřezu
stejneacute deacutelky jako Tx respektive Rx vinutiacute Rozmeziacute pohybu kontaminantu bylo od -230 mm
do 230 mm vůči Tx vinutiacute s krokem 20 mm Obdeacutelniacuteky v okoliacute Tx vinutiacute byly vytvořeny za
uacutečelem možnosti zjemněniacute vyacutepočetniacute siacutetě v prostoru Tx a Rx vinutiacute Na obraacutezku 41 nejsou
namodelovaacuteny Rx ciacutevky neboť hodnota naindukovaneacuteho napětiacute byla ziacuteskaacutevaacutena v pěti
různyacutech vyacuteškovyacutech poziciacutech a bylo hodnoceno indukovaneacute napětiacute Ui
Obr 41 Zaacutekladniacute geometrie
nerezovyacute kryt
vodiče Tx vinutiacute
kontaminant
obdeacutelniacuteky vzduchoveacuteho okoliacute s jemnějšiacute vyacutepočetniacute siacutetiacute střed souřadneacuteho
systeacutemu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
29
411 Preprocessing - p řiacuteprava skriptu Nejprve bylo nutneacute zjistit geometrickeacute rozměry a materiaacuteloveacute konstanty zkoumaneacuteho
detektoru Geometrickeacute rozměry byly ziacuteskaacuteny z databaacuteze Solidworks modelů společnosti
Loma Systems sro V kapitole 71 je uacuteryvek APDL skriptu pro tvorbu geometrie
Materiaacutely použiteacute v modelu jsou vzduch vodiče Tx vinutiacute nerezovyacute obal detektoru a
materiaacutely kontaminantů V raacutemci zjednodušeniacute modelu nebyly uvažovaacuteny PVC izolace Tx
vinutiacute samotneacute Tufneloveacute jaacutedro a materiaacutel s niacutemž je prostor mezi jaacutedrem a nerezovyacutem
krytem vyplněn neboť tyto materiaacutely vykazujiacute z pohledu šiacuteřeniacute elektromagnetickeacuteho pole
stejneacute vlastnosti jako vzduch Konkreacutetniacute hodnoty materiaacutelovyacutech konstant viz tabulka 41
odpor Tx vinutiacute nebyl uvažovaacuten neboť jeho plochy byly zatiacuteženy definovanou proudovou
hustotou tudiacutež neniacute možneacute uvažovat přiacutepadně naindukovaneacute viacuteřiveacute proudy Daacutele bylo nutneacute
zvolit a spraacutevně nastavit použiteacute elementy modelu
Tab 41 Materiaacuteloveacute vlastnosti
měrnaacute
permeabilita [-] měrnyacute elektrickyacute
odpor [Ωm]
vzduch 1 -
Tx vinutiacute 1 -
nerezovaacute ocel (ANSI 304 DIN 14301)
1008 [10] 72010-7
neželeznyacute kontaminant (mosaz)
1 75010-8
železnyacute kontaminant (chromovaacute ocel)
400 12010-7
nerezovyacute kontaminant (ANSI 304 DIN 14301) 1008 72010-7
Jako elementy daneacuteho modelu byly zvoleny elementy PLANE53 určeneacute pro řešeniacute
magnetickeacuteho pole Jednaacute se o osmi uzloveacute elementy ktereacute mohou miacutet až čtyři stupně
volnosti na uzel Stupně volnosti mohou byacutet magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel (AZ) časově
integrovanyacute elektrickyacute skalaacuterniacute potenciaacutel (VOLT) elektrickyacute proud (CURR) a
elektromotorickaacute siacutela (EMF) [6] Geometrie elementu na obr 42
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
30
Obr 42 Geometrie elementu PLANE53 [6]
Uacuteryvek koacutedu v kapitole 72 obsahuje definovaacuteniacute materiaacutelovyacutech vlastnostiacute definovaacuteniacute
elementů a jejich nastaveniacute V dalšiacute časti bylo nutneacute jednotliveacute materiaacutely a elementy přiřadit
danyacutem plochaacutem
Daacutele bylo zapotřebiacute nastavit atributy pro automatickeacute siacuteťovaacuteniacute oblasti Je nutneacute aby v
tenkyacutech a malyacutech plochaacutech byla vyššiacute hustota siacutetě než na velkyacutech plochaacutech kde postačuje siacuteť
řidšiacute Velmi důležitaacute je kompatibilita siacutetě proto byla v okoliacute Tx vodičů vytvořena
obdeacutelniacutekovaacute oblast s hustšiacute siacutetiacute viz uacuteryvek koacutedu v přiacuteloze 73
Obr 43 Detailniacute pohled na siacuteť elementů
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
31
V posledniacute čaacutesti preprocessingu byla definovaacutena Dirichletova okrajovaacute podmiacutenka
udaacutevajiacuteciacute magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel roven nule na vnějšiacute hrany vzduchoveacuteho okoliacute a
průběh budiacuteciacute proudoveacute hustoty v Tx vodičiacutech V horniacutem a dolniacutem vodiči měly toky opačnyacute
smysl proto bylo nutneacute vytvořit dva vektory hodnot J1 (obr 44) a mJ1 V posledniacute řadě bylo
provedeno přiřazeniacute průběhů k plochaacutem viz kapitola 74
Obr 44 Průběh proudoveacute hustoty v ploše Tx vodiče
Ansys byl do Solution modu přepnut přiacutekazem SOL kde se provedlo nastaveniacute
analyacutezy a byl spuštěn vyacutepočet viz kapitola 76
412 Postprocessing - ziacuteskaacutevaacuteniacute vyacutesledk ů Ciacutelem teacuteto čaacutesti bylo zjištěniacute průběhů naindukovanyacutech napětiacute Ui v zaacutevislosti na čase
pro různeacute vyacuteškoveacute pozice přijiacutemaciacutech ciacutevek Rx Pro indukovaneacute napětiacute platiacute vztah
( )Vndt
dU i sdotΦminus= (43)
kde
( )TdxBlx
x
Yint sdotsdot=Φ2
1
(44)
n počet zaacutevitů Rx vinutiacute
l deacutelka Rx vinutiacute ve směru osy Z
x1 a x2 šiacuteřka Rx vinutiacute ve směru osy X
BY složka magnetickeacute indukce v ose Y
Zadaacuteniacutem souřadnic dvou bodů se nadefinovala uacutesečka (cesta) na kterou byly s určityacutem
J (Am-2)
kroky vyacutepočtu (-)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
32
krokem zaznamenaacuteny hodnoty magnetickeacute indukce BY Průběh BY v zaacutevislosti na souřadnici X
je na obr 45
Obr 45 Průběh magnetickeacute indukce BY v zaacutevislosti na souřadnici X
Obr 46 Průběh magnetickeacuteho toku Φ v zaacutevislosti na souřadnici X
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
33
Integrovaacuteniacutem průběhu BY se ziacuteskal průběh magnetickeacuteho indukčniacuteho toku Φ obr 46
Magnetickyacute indukčniacute tok Φ je roven určiteacutemu integraacutelu (rovnice 44) průběhu BY obr 45 Z
toho vyplyacutevaacute že magnetickyacute indukčniacute tok je roven posledniacute hodnotě průběhu na obr 46
Tato hodnota se vynaacutesobila deacutelkou Rx vinutiacute Postup vyacutepočtu se opakoval pro všechny pozice
Rx vinutiacute a to v každeacutem kroku transientniacute analyacutezy Tiacutem se ziacuteskala zaacutevislost magnetickeacuteho
indukčniacuteho toku Φ na čase t V programu MS Excel se vynaacutesobil tok počtem zaacutevitů Rx vinutiacute
a byla provedena derivace podle času (rovnice 43) Takto byly zpracovaacuteny vyacutesledky pro
všechny pozice kontaminantu vůči Tx vinutiacute APDL skript pro ziacuteskaacutevaacuteniacute hodnot viz kapitola
76 a v kapitole 77 je vyacutepis makra ktereacute uklaacutedaacute hodnoty do souboru
413 Hodnoceniacute vyacutesledk ů Vypočteneacute hodnoty Ui ve všech pěti vyacuteškovyacutech poziciacutech hrx byly vyneseny do grafů v
zaacutevislosti na čase Pokud se vynesou do jednoho grafu průběhy indukovanyacutech napětiacute pro
každou pozici kontaminantu v daneacute vyacutešce lze sledovat odezvu indukovaneacuteho napětiacute na
polohu kontaminantu Jelikož byly provedeny tři seacuterie vyacutepočtů s různyacutemi kontaminanty lze
porovnat i tvary přijiacutemanyacutech signaacutelu pro jednotliveacute materiaacutely Ciacutelem teacuteto čaacutesti je porovnat
signaacutely ziacuteskaacutevaneacute v různyacutech vyacuteškovyacutech polohaacutech Rx vinutiacute a vybrat nejvhodnějšiacute signaacutel pro
detekci
Na naacutesledujiacuteciacutech grafech jsou znaacutezorněny napěťoveacute průběhy během jedneacute periody v
zaacutevislosti na poloze kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
34
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 47 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 48 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
35
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 49 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 410 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
36
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 411 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 5)
Na obraacutezciacutech 47 až 411 jsou zobrazeny průběhy odpoviacutedajiacuteciacute průchodu železneacuteho
kontaminantu s relativniacute permeablitou 400 a měrnyacutem elektrickyacutem odporem 10210-7 Ωm Na
průběziacutech 47 48 a 411 lze pozorovat sice nižšiacute hodnotu signaacutelu ale celkovaacute deformace
během průchodu kontaminantu je většiacute
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 412 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
37
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 413 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 414 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
38
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 415 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 416 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce5)
Na obraacutezciacutech 412 až 416 jsou zobrazeneacute průběhy odpoviacutedajiacuteciacute průchodu kontaminantu z
nerezu ANSI 304 s relativniacute permeablitou 1008 a měrnyacutem elektrickyacutem odporem 7210-7
Ωm Při porovnaacuteniacute s předchoziacutem kontaminantem je změna signaacutelu nižšiacute což odpoviacutedaacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
39
předpokladům o obtiacutežnějšiacute detekci nerezovyacutech kontaminantů
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 417 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 418 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
40
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 419 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 420 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
41
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 421 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 5)
Na obraacutezciacutech 417 až 421 jsou zobrazeny průběhy odpoviacutedajiacuteciacute neželezneacutemu
kontaminantu (mědi) s parametry relativniacute permeablita 1 a měrnyacute elektrickyacute odpor 7510-8
Ωm Průběh signaacutelu je velmi podobnyacute signaacutelům nerezoveacuteho kontaminantu
Porovnaacuteniacutem všech grafů (obr 47 - obr 422) je obecně vidět že u průběhů ve vyacutešce
3 a 4 je zisk signaacutelu pro všechny modelovaneacute kontaminanty největšiacute Dochaacuteziacute zde ale ke
změně amplitudy pouze v jednom smyslu což z hlediska vyhodnocovaciacutech algoritmů zlepšeniacute
detekce vylučuje Naproti tomu je u signaacutelu ve vyacutešce 5 znatelně vyššiacute amplituda než v
použiacutevaneacute vyacutešce 2 Na zaacutekladě tohoto zjištěniacute bude zhotoven prototyp detektoru za uacutečelem
ověřeniacute teoretickyacutech vyacutesledků
Na obraacutezku 422 je ukaacutezka grafickeacuteho vyacutestupu zobrazujiacuteciacuteho vektory proudoveacute
hustoty naindukovaneacute v nerezoveacutem krytu a v kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
42
Obr 422 Vektory proudovyacutech hustot naindukovanyacutech do kontaminantu a nerezoveacuteho krytu
Obraacutezek 423 zobrazuje kontury magnetickeacuteho pole ve stejneacutem časoveacutem kroku jako obr
422 Pole ktereacute je konturami zobrazeno je tvořeno praacutevě proudovou hustotou obr 422 Je
zde možneacute pozorovat jak se pole deformuje přiacutetomnyacutem kontaminantem
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
43
Obr 423 Kontury magnetickeacuteho vektoroveacuteho potenciaacutelu s viditelnou deformaciacute pole způsobenou
feromagnetickyacutem kontaminantem
42 Vyšet řovaacuteniacute množstviacute vyza řovaneacute energie V teacuteto čaacutesti se vychaacutezelo z předpokladu že intenzita elektromagnetickeacuteho pole uvnitř
detektoru je mnohem většiacute než elektromagnetickyacute šum kteryacute do detektoru vnikaacute z okoliacute
Proto lze předpoklaacutedat že rušeniacute bude způsobeno předevšiacutem deformaciacute vlastniacuteho
vyzařovaneacuteho pole v bliacutezkeacutem okoliacute detektoru To vede ke snaze snižovat množstviacute vlastniacuteho
vyzaacuteřeneacuteho pole ven z detektoru aby nemohlo byacutet deformovaacuteno okolniacutemi předměty
421 Řešeniacute probleacutemu Bylo porovnaacuteno pět variant detektorů bez průchodu kontaminantu Každaacute varianta se
řešila jedniacutem vyacutepočtem z čehož plyne malaacute časovaacute naacuteročnost a proto byly probleacutemy řešeny
bez využitiacute symetrie Prvniacute byl staacutevajiacuteciacute detektor o tloušťce kryciacuteho nerezoveacuteho plechu 3 mm
druhyacute byl stejneacute geometrie ale za použitiacute silnějšiacuteho 5 mm tlusteacuteho nerezu Třetiacute typ měl
tloušťku 3 mm ale na horniacute a dolniacute stěně bylo přidaacuteno dalšiacute stiacuteněniacute z nerezu ve tvaru T (obr
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
44
426) Posledniacute dva naacutevrhy měly pravouacutehlyacute tvar krytu celkově menšiacutech rozměrů z nichž jeden
byl jednoduchyacute o tloušťce 3 mm (obr 427) a druhyacute měl shora a zdola dvojiteacute dno z nerezu
tloušťky 3 mm (obr_428) Touto metodou by se dalo porovnaacutevat mnohem většiacute množstviacute
provedeniacute ktereacute by se mohly lišit i použityacutem materiaacutelem Vzduchoveacute okoliacute detektoru bylo
rozděleno na čtyři sektory v nichž se sečetly hodnoty magnetickeacute energie jednotlivyacutech
elementů v každeacutem kroku analyacutezy a tiacutem se ziacuteskal průběh množstviacute energie v daneacutem prostoru
na čase Objemovaacute hustota magnetickeacute energie byla zjišťovaacutena ve všech plochaacutech daneacute
geometrie a bylo možno sledovat jak se energie v čase přemisťuje
Obr 424 Geometrie varianty 3 mm
Obr 425 Geometrie varianty 5 mm
Obr 426 Geometrie varianty 3 mm-stineni
Obr 427 Geometrie varianty novy 1
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
45
Obr 428 Geometrie varianty novy 2
Přiacuteprava skriptů se od předchoziacutech vyacutepočtů lišila pouze v geometrii jinak byla
principiaacutelně stejnaacute Rozdiacutel byl však v čaacutesti post-processingu (ziacuteskaacutevaacuteniacute vyacutesledků) Aby bylo
možno přistupovat k jednotlivyacutem sektorům musel byacutet každyacute sektor definovaacuten vlastniacutem typem
elementů (elementy byly použity stejneacute jednaacute se pouze o čiacuteslovaacuteniacute) Byly použity osmkraacutet
elementy PLANE53
ET153 Tx vinuti ET253 prostor uvnitr detektoru ET353 nerezovy obal ET453 detekcni prostor ET553 vzduchove okoli - horni ET653 vzduchove okoli - pravy ET753 vzduchove okoli - dolni ET853 vzduchove okoli - levy
Přiacuteklad načiacutetaacuteniacute vyacutesledků pro jeden typ elementů
POST1 prepnutiacute do postprocesoru allsel oznaceni vsech elementu vytvoreni pole pro ukadani hodnot DIMenergie1TABLEkroku11timeE zapsani nulovych hodnot na zacatek vektoru vysledku energie1(00)=0 energie1(01)=0 cyklus ve kterem se nacitaji vysledky jednotlivych kroku simulace doi1kroku1 APPEND 1 i nacteni daneho kroku eseltype1 vybrani elementu typu 1 GET e_count1 ELEM count vraci mnozstvi elementu daneho typu GET e_next ELEM 0 NXTH vraci nejnizsi adresu elementu daneho typu v promenne e_next energ1=0 vynulovani promenne cyklus ktery postupne prochazi vsechy elementy daneho typu doj1e_count11 GET e_energ1 ELEM e_next SENE ulozi do promene e_energ1 mnozstvi energie v elementu s adresou e_next
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
46
GET e_next ELEM e_next NXTH posune adresu elementu o jedna energ1=energ1+e_energ1 pricte mnozstvi energie e_energ1 do kumulativni promnenne energ1 enddo konec vnitrniho cyklu energie1(i0)=i zapise do pole vysledku cislu jirju simulace energie1(i1)=energ1 zapise do pole vysledku mnozstvi energie v cele plose s elementy daneho typu enddo konec vnejsiho cyklu zapis_energ zavolani makra pro zapis vysledku do souboru
422 Hodnoceniacute vyacutesledk ů V jednotlivyacutech sektorech se provedla suma magnetickeacute energie pro každyacute krok
simulace Vyacutesledkem jsou průběhy množstviacute energie v daneacute ploše v zaacutevislosti na krociacutech
simulace (čase) Jednotliveacute varianty byly hodnoceny na zaacutekladě porovnaacuteniacute průběhů se
staacutevajiacuteciacutem detektorem
Energie v Tx vinutiacute
000E+00
100E-03
200E-03
300E-03
400E-03
500E-03
600E-03
700E-03
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 429 Energie v Tx vinutiacute
Na grafu (obr 429) je vidět že množstviacute energie v Tx vinutiacute neniacute zaacutevisleacute na geometrii a je
daacuteno budiacuteciacutem signaacutelem v Tx vinutiacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
47
Energie unit ř detektoru
000E+00
200E-02
400E-02
600E-02
800E-02
100E-01
120E-01
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 430 Energie uvnitř detektoru
Na obr 430 je znaacutezorněno množstviacute energie v prostoru detektoru do ktereacuteho neniacute
započiacutetaacutena detekčniacute oblast ta je zobrazena na obr 432 V teacuteto čaacutesti neniacute pozorovaacutena žaacutednaacute
vyacuteraznaacute změna
Energie v nerezoveacutem obalu
000E+00
500E-05
100E-04
150E-04
200E-04
250E-04
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 431 Energie v nerezoveacutem obalu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
48
Vyacuteraznějšiacute změny se odehraacutevajiacute v nerezoveacutem obalu Nejmenšiacute množstviacute energie je v klasickeacute
3 mm tlusteacute a v 5 mm tlusteacute variantě U klasickeacute varianty se stiacuteněniacutem a u novyacutech naacutevrhů je
naacuterůst způsoben přibliacuteženiacutem nerezu k Tx vinutiacute
Energie v prostoru detek čniacuteho otvoru
000E+00
500E-03
100E-02
150E-02
200E-02
250E-02
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 432 Energie v prostoru detekčniacuteho otvoru
V oblasti detekčniacuteho otvoru je snaha o uchovaacuteniacute co největšiacuteho množstviacute energie neboť
zmenšeniacute energie vede ke sniacuteženiacute odezvy na kontaminant tedy ke sniacuteženiacute citlivosti detektoru
Z obr 432 je patrneacute že geometrickeacute uacutepravy detektoru (3 mm se stiacuteněniacutem novy 1 a novy 2)
vedou ke sniacuteženiacute množstviacute energie v tomto prostoru
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
49
Energie v horniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
100E-07
200E-07
300E-07
400E-07
500E-07
600E-07
700E-07
800E-07
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 433 Energie v horniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Energie v dolniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
100E-07
200E-07
300E-07
400E-07
500E-07
600E-07
700E-07
800E-07
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 434 Energie v dolniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Porovnajiacute-li se obr 433 a 434 je u variant 1 - 3 možneacute pozorovat rozdiacutely mezi horniacute a dolniacute
plochou Je zde na prvniacute pohled vidět jak horniacute oblouk snižuje množstviacute energie unikajiacuteciacute do
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
50
okoliacute Jako uacutečinneacute se z pohledu těchto sektorů jeviacute varianta klasickeacuteho detektoru se stiacuteněniacutem a
novyacute naacutevrh s dvojityacutemi stěnami
Energie v praveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
500E-06
100E-05
150E-05
200E-05
250E-05
300E-05
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 435 Energie v praveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Energie v leveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
500E-06
100E-05
150E-05
200E-05
250E-05
300E-05
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 436 Energie v leveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
51
Pravyacute a levyacute sektor je z důvodů symetrie stejnyacute na obrazciacutech 435 a 436 lze pozorovat tzv
metal free zoacutenu kteraacute se u detektorů udaacutevaacute Jednaacute se o prostor před a za detekčniacutem otvorem
ve ktereacutem se nesmiacute nachaacutezet žaacutednyacute kovovyacute materiaacutel (z důvodu ovlivňovaacuteniacute pole) snahou je
tuto zoacutenu co nejviacutece zmenšit Z grafů je patrneacute že novyacute naacutevrh s dvojityacutemi stěnami vykazuje
nejmenšiacute množstviacute energie v teacuteto oblasti Naopak u klasickeacute varianty se stiacuteněniacutem došlo k
vytlačeniacute pole z vnitřku detektoru praacutevě do těchto okolniacutech zoacuten
Na zaacutekladě těchto poznatků bude provedeno ověřeniacute na skutečnyacutech zařiacutezeniacutech Mezi
použitelneacute varianty připadaacute klasickaacute konstrukce doplněnaacute o stiacuteněniacute a novyacute naacutevrh s dvojityacutemi
stěnami U toho je však velkaacute hrozba sniacuteženiacute citlivosti způsobeneacute menšiacutem množstviacutem energie
v detekčniacutem prostoru
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
52
5 Zaacutevěr Ciacutelem předklaacutedaneacute praacutece je zlepšeniacute činnosti detektorů kovů přiacutepadně uacuteprava
technologie vyacuteroby při současneacutem sniacuteženiacute vyacuterobniacutech naacutekladů Předpokladem uacutespěšnyacutech
naacutevrhů byla podrobnaacute studie činnosti a principu těchto zařiacutezeniacute kteraacute jsou vyacuterobcem po
několik let uacutespěšně prodaacutevaacutena na světovyacutech trziacutech
Na zaacutekladě těchto požadavků byly provedeny některeacute testy ktereacute měly ověřit
předpoklaacutedanaacute zlepšeniacute Nejširšiacute možnosti přinaacutešiacute modelovaacuteniacute magnetickeacuteho pole
průmyslovyacutech detektorů počiacutetačovou simulaciacute kteraacute je zatiacutem schopna řešit zadaneacute probleacutemy
v dvourozměrneacutem prostoru Nejčastěji řešeneacute probleacutemy jsou staacutele spojeny se zaacutekladniacutem
principem činnosti těchto zařiacutezeniacute tj vlivem a působeniacutem kontaminantu na
elektromagnetickeacute pole buzeneacute ciacutevkami uvnitř detektoru a nepřiacuteznivyacute vliv vnějšiacutech rušivyacutech
poliacute např při současneacute činnosti sousedniacutech detektorů Dalšiacutem zdrojem rušivyacutech magnetickyacutech
poliacute může byacutet i činnost a přiacutetomnost různyacutech elektrickyacutech zařiacutezeniacute probleacutem spojenyacute s
vhodnyacutem materiaacutelem a tvarem stiacuteněniacute těchto zařiacutezeniacute
Vzhledem k maximaacutelniacute citlivosti elektronickyacutech obvodů a požadovaneacute pečlivosti při
balancovaacuteniacute (vyvažovaacuteniacute) se vyskytuje probleacutem kteryacute souvisiacute se staacutelostiacute nastaveniacute detektoru
při mechanickeacutem otřesu přiacutepadně odstraněniacute změn ke kteryacutem dochaacuteziacute vlivem dopravy
Dalšiacutem plaacutenovanyacutem krokem je namodelovaacuteniacute probleacutemu v trojrozměrneacutem prostoru od
ktereacuteho je očekaacutevaacuteno zohledněniacute dalšiacutech vlivů a tiacutem zpřesněniacute samotneacuteho vyacutesledku
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
53
6 Použitaacute literatura [1] Internetoveacute straacutenky společnosti Loma Systems sro
httpwwwlomacom_czindexshtml
[2] Haacutejek J Jarchovskyacute Z Detektory kovů - naacutevod na stavbu nakladatelstviacute BEN Praha
2010
[3] Beneda L Detektory kovů bakalaacuteřskaacute praacutece ZČU Plzeň 2010
[4] Internetoveacute straacutenky společnosti Ad controls sro
httpwwwadcontrolsczdetektory_kovu_zakladni_pojmy
[5] KOVOHUTĚ ROKYCANY as COMTES FHT as MATEX sro Průběžnaacute
zpraacuteva k projektu FeNi - čj 1021207 - 32 za rok (2007 - 2009)
[6] Ansys Inc ANSYS HELP Release 130 Dokumentace k programu
[7] Karban P a kolektiv autorů Aplikace teoretickeacute elektrotechniky Skripta ZČU Plzeň
2011
[8] Benešovaacute Z Ulrych B Přiacuteručka pro použitiacute programů ve vyacuteuce teorie
elektromagnetickeacuteho pole Skripta ZČU Plzeň 1997
[9] Loma Systems sro Knowledge Base - Interniacute dokumentace společnosti
[10] Internetoveacute straacutenky společnosti Aerospace specification metals Inc
httpasmmatwebcomsearchSpecificMaterialaspbassnum=MQ304A
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
1
7 Přiacutelohy
71 Tvorba geometrie PREP7 prepnuti do rezimu preprocesingu jj=8 index polohy kontaminantu r1=05e-3 polomer Tx vodice 05 mm r2=15e-3 polomer kontaminantu 15 mm c=90e-3 sirka Rx civek h=1767e-3 vzdalenost mezi Tx vinutim hrx=(h2)+526e-3 zakladni vyskova poloha mezi Rx civkami hss=175e-3 vyska nerezoveho krytu wss=150e-3 sirka nerezoveho krytu tss=3e-3 tloustka nerezove steny hd=h-227e-3 vyska detekcniho otvoru wok=1000e-3 sirka vzduchoveho okoli hok=1000e-3 vyska vzduchoveho okoli wkon=(-250e-3)+(jj20e-3) poloha kontaminantu na ose X tvorba geometrickych bodu nerezoveho krytu K1022589e-30 K2022185e-30 K3-7907e-321208e-30 K4-78e-32085e-30 K57907e-321208e-30 K678e-32085e-30 K7-wsshss0 K8-wss+tsshss-tss0 K9wsshss0 K10wss-tsshss-tss0 K11-wss-hss0 K12-wss+tss-hss+tss0 K13wss-hss0 K14wss-tss-hss+tss0 vytvoreni ploch definovanymi body FLST273 FITEM27 FITEM23 FITEM21 FITEM25 FITEM29 FITEM213 FITEM211 AP51X FLST273 FITEM28 FITEM24 FITEM22 FITEM26 FITEM210 FITEM214 FITEM212 AP51X CYL40h2r1 plocha horniho Tx vodice CYL40-h2r1 ploch dolniho Tx vodice BLC50((h2)+hrx)2100e-310e-3 plocha horniho vzduchoveho okoli Tx vodice BLC50-((h2)+hrx)2100e-310e-3 plocha dolniho vzduchoveho okoli Tx vodice BLC5002wsshd plocha detekcniho ootvoru APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch odstraneni ploch ktere budou sjednoceny se vzduchovym okolim
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
2
FLST255ORDE4 FITEM210 FITEM2-12 FITEM215 FITEM218 ADELEP51X BLC500wokhok vytvoreni plochy vzduchoveho okoli APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch CYL4wkon0r2 vytvoreni plochy kontaminantu APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch konec tvorby geometrickeho modelu
72 Definice element ů materiaacutel ů a jejich p řiřazeniacute k plochaacutem definovani materialu MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX11 material 1 Tx permeabilita 1 MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX21 material 2 Air permeabilita 1 MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX31008 material 3 nerezovy kryt SS ANSI 304 permeabilita MPTEMP MPTEMP10 MPDATARSVX372e-7 material 3 nerezoovy kryt SS Ansi 304 rezistivita MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX4400 material 4 Kontaminant permeabilita MPTEMP MPTEMP10 MPDATARSVX4102e-7 material 4 Kontaminant rezistivita definovani elementu ET153 Tx civky ET253 Vzduch ET353 nerezovy kryt ET453 kontaminant nastaveni elementu KEYOPT110 Tx civky KEYOPT120 KEYOPT130 KEYOPT140 KEYOPT150 KEYOPT170 KEYOPT210 Air KEYOPT220 KEYOPT230 KEYOPT240 KEYOPT250 KEYOPT270 KEYOPT310 SS KEYOPT320 KEYOPT330 KEYOPT340 KEYOPT350
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
3
KEYOPT370 KEYOPT410 kontaminant KEYOPT420 KEYOPT430 KEYOPT440 KEYOPT450 KEYOPT470 prirazeni elementu a materialum k plocham FLST525ORDE2 Tx FITEM58 FITEM5-9 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 1 1 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 FLST535ORDE3 Air FITEM53 FITEM516 FITEM5-17 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 2 2 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 FLST525ORDE2 SS FITEM513 FITEM5-14 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 3 3 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 CM_YAREA kontaminant ASEL 1 CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 4 4 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
4
73 Siacuteťovaacuteniacute oblastiacute FLST275ORDE7 FITEM21 FITEM28 FITEM2-9 FITEM213 FITEM2-14 FITEM216 FITEM2-17 AESIZEP51X00005 nastaveni delky steny elementu 00005 m FLST215ORDE1 FITEM23 AESIZEP51X001 nastaveni delky steny elementu 001 m MSHAPE12D nastaveni 2D trojuhelnikove site MSHKEY0 FLST585ORDE8 FITEM51 FITEM53 FITEM58 FITEM5-9 FITEM513 FITEM5-14 FITEM516 FITEM5-17 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CHKMSHAREA CMSELS_Y AMESH_Y1 spusteni automatickeho sitovani CMDELE_Y CMDELE_Y1 CMDELE_Y2
74 Okrajovaacute podmiacutenka a nastaveniacute budiciacuteho pr ůběhu okrajova podminka FLST244ORDE4 FITEM214 FITEM212 FITEM27 FITEM25 DLP51X AZ0 nastaveni zatizeni parametry budici proudove hustoty f=35e3 frekvence signalu [Hz] part=600 pocet kroku signalu T_min=0 pocatek casove osy T_max=1f konec casove osy dt=T_maxpart casovy krok parametry prudove hustoty pi=4atan(1) s=pir12 I=600sqrt(2) N1=1 J1_a=IN1s definovani vzestupne casti pulsu tau=3 DIMJexTABLE5011timeJ Jex(11)=0
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
5
Jex(10)=0 doi2501 Jex(i1)=(J1_a)(1-exp(-itau)) Jex(i0)=(i) enddo definovani sestupne casti pulsu tau=3 DIMJex1TABLE5011timeJ Jex1(11)=J1_a Jex1(10)=0 doi2501 Jex1(i1)=(J1_a)(exp(-itau)) Jex1(i0)=(i) enddo sestaveni celeho pulsu DIMJex2TABLE10011timeJ Jex2(11)=0 Jex2(10)=0 doi2501 Jex2(i1)=Jex(i1) Jex2(i0)=(i) enddo doi511001 Jex2(i1)=Jex1(i-501) Jex2(i0)=(i) enddo priprava nulovych vektoru kladneho a zaporneho prubehu J DIMJ1TABLE60011timeJ DIMmJ1TABLE60011timeJ doi16001 J1(i0)=(i-1)dt time J1(i1)=0 J mJ1(i0)=(i-1)dt time mJ1(i1)=0 -J enddo vlozeni prvniho pulsu doi11001 J1(i1)=Jex2(i1) mJ1(i1)=-Jex2(i1) enddo vlozeni druheho pulsu doi3004001 J1(i1)=-Jex2(i-3001) mJ1(i1)=Jex2(i-3001) enddo prirazeni prubehu k plocham PREP7 FLST215ORDE1 FITEM28 BFAP51XJSJ1 FLST215ORDE1 FITEM29 BFAP51XJSmJ1
75 Nastaveniacute analyacutezy SOL prepnuti do Solution modu - nastaveni analyzy kroku=300 pocet kroku simulace ANTYPE4 TRNOPTFULL
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
6
NSUBSTkroku00 OUTRESERASE OUTRESALL1 TIMET_max solve spusti vypocet ulohy
76 Postprocessing POST1 prepne do Preprocesing modu krokyb=200 pocet kroku na delku coilgapu L=03 delka Rx snimace hrx1=(h2)+10e-3 jednotlive vyskove pozice Rx vinuti hrx2=(h2)+526e-3 hrx3=(h2) hrx4=((h2)-526e-3) hrx5=((h2)-10e-3) vytvoreni pole hodnot - 10 sloupcu x 300 radku sloupce odpovidaji poctu jednotlivych civek 2x5 (5 poloh horni a dolni civka) DIMTOKTABLEkroku101SUBSTEP TOK(00)=0 TOK(01)=0 TOK(02)=0 TOK(03)=0 TOK(04)=0 TOK(05)=0 TOK(06)=0 TOK(07)=0 TOK(08)=0 TOK(09)=0 TOK(010)=0 dok1kroku1 hlavni cyklus pocet cyklu odpovida poctu kroku analyzy APPEND 1 k nacteni k-teho kroku analyzy tato cast kodu je nutna pro kazdou civku zvlast (10x se opakuje) PATHHORNI26krokyb-1 definovani cesty horni civky PPATH10-c2hrx10 levy koncovy bod PPATH20c2hrx10 pravy koncovy bod PDEF BYAVG namapovani Y-slozky magneticke indukce B PCALCINTGINT_HORBYXGL vypocet integralu z By podle dX PBCPATH 0 PAGETHORNI1_TABL ulozeni hodnot ziskanych na definovane ceste do pole HORNI1_ PADELALL smazani cesty i s hodnotamy (pole HORNI1_ zustava) konec opakujici se casti prirazovani posledni hodnoty integralu do prislusneho pole vysledku TOK(k0)=k casova osa TOK(k1)=HORNI1_(krokyb6) TOK(k2)=DOLNI1_(krokyb6) TOK(k3)=HORNI2_(krokyb6) TOK(k4)=DOLNI2_(krokyb6) TOK(k5)=HORNI3_(krokyb6) TOK(k6)=DOLNI3_(krokyb6) TOK(k7)=HORNI4_(krokyb6) TOK(k8)=DOLNI4_(krokyb6) TOK(k9)=HORNI5_(krokyb6) TOK(k10)=DOLNI5_(krokyb6) DELPRM_ smaze vsechny pole vysledku koncici znakem _ enddo konec cyklu zapis_tok odkaz na skript pro zapsani pole vysledku do souboru txt
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
7
77 Makro Vyacutepis makra ktereacute uklaacutedaacute hodnoty do souboru tok_fitxt
MWRITETOK(111)tok_fitxt vytvori soubor tok_fitxt a ulozi do
nej matici vysletku TOK
(10E135) urcuje format zapisu hodnot - 10
sloupcu cisel o celkove delce 13ti
znaku z toho 5 za desetinou teckou
CFCLOS uzavre soubor
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
8
Eviden čniacute list
Souhlasiacutem s tiacutem aby moje bakalaacuteřskaacute praacutece byla půjčovaacutena k prezenčniacutemu studiu v
Univerzitniacute knihově ZČU v Plzni
Datum Podpis
Uživatel stvrzuje svyacutem čitelnyacutem podpisem že tuto bakalaacuteřskou praacuteci použil ke studijniacutem
uacutečelům a prohlašuje že ji uvede mezi použityacutemi prameny
Jmeacuteno Fakultakatedra Datum Podpis
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
Prohlaacutešeniacute
Předklaacutedaacutem tiacutemto k posouzeniacute a obhajobě diplomovou praacuteci zpracovanou na zaacutevěr studia na
Fakultě elektrotechnickeacute Zaacutepadočeskeacute univerzity v Plzni
Prohlašuji že jsem tuto diplomovou praacuteci vypracoval samostatně s použitiacutem odborneacute
literatury a pramenů uvedenyacutech v seznamu kteryacute je součaacutestiacute teacuteto diplomoveacute praacutece
Daacutele prohlašuji že veškeryacute software použityacute při řešeniacute teacuteto diplomoveacute praacutece je legaacutelniacute
V Plzni dne 952012 Jmeacuteno přiacutejmeniacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
Poděkovaacuteniacute
Tiacutemto bych raacuted poděkoval vedouciacutemu bakalaacuteřskeacute praacutece doc Ing Vlastimilu Beranovi CSc
za cenneacute rady připomiacutenky a metodickeacute vedeniacute praacutece daacutele panu Ing Vladimiacuteru Kindlovi
PhD a Ing Jindřichu Kňourkovi za pomoc s programem Ansys společnosti Loma Systems
sro za poskytnutiacute materiaacutelů jejich zařiacutezeniacute a celkoveacuteho zaacutezemiacute pro řešeniacute teacuteto praacutece a v
neposledniacute řadě bych chtěl velmi ocenit přiacutestup k vyacutepočetniacutem kapacitaacutem MetaCentra
poskytovanyacutech v raacutemci programu Projekty velkyacutech infrastruktur pro vyacutezkum vyacutevoj a
inovace LM2010005 financovaacuten Ministerstvem školstviacute mlaacutedeže a tělovyacutechovy Českeacute
republiky
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
8
Obsah SEZNAM SYMBOL Ů 9
UacuteVOD 10
1 ZAacuteKLADNIacute FYZIKAacuteLNIacute PRINCIPY DETEKTOR Ů KOVU11
2 PRINCIPY AKTIVNIacuteCH ELEKTROMAGNETICKYacuteCH DETEKTOR Ů KOVU 12
21 PRINCIP BALANČNIacuteCH DETEKTORŮ12
3 ZAŘIacuteZENIacute SPOLEČNOSTI LOMA SYSTEMS SRO 16
31 OBECNEacute INFORMACE17 32 VYSIacuteLACIacute ČAacuteST - TX 17 33 PŘIJIacuteMACIacute ČAacuteST - RX 21 34 PRINCIP VYHODNOCOVAacuteNIacute22 35 VYVAŽOVAacuteNIacute DETEKTORU 23 36 VYacuteSTUPNIacute KONTROLA 25
4 OPTIMALIZACE A STIacuteN ĚNIacute DETEKTORU 27
41 VYŠETŘOVAacuteNIacute VLIVU POZICE RX VINUTIacute 28 411 Preprocessing - přiacuteprava skriptu 29 412 Postprocessing - ziacuteskaacutevaacuteniacute vyacutesledků 31 413 Hodnoceniacute vyacutesledků 33
42 VYŠETŘOVAacuteNIacute MNOŽSTVIacute VYZAŘOVANEacute ENERGIE43 421 Řešeniacute probleacutemu43 422 Hodnoceniacute vyacutesledků 46
5 ZAacuteVĚR 52
6 POUŽITAacute LITERATURA53
7 PŘIacuteLOHY1
71 TVORBA GEOMETRIE1 72 DEFINICE ELEMENTŮ MATERIAacuteLŮ A JEJICH PŘIŘAZENIacute K PLOCHAacuteM 2 73 SIacuteŤOVAacuteNIacute OBLASTIacute 4 74 OKRAJOVAacute PODMIacuteNKA A NASTAVENIacute BUDICIacuteHO PRŮBĚHU 4 75 NASTAVENIacute ANALYacuteZY 5 76 POSTPROCESSING6 77 MAKRO 7
EVIDENČNIacute LIST 8
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
9
Seznam symbol ů DK (-)helliphelliphelliphelliphellip detektor kovů
f (Hz)helliphelliphelliphellip frekvence
ω (s-1)helliphelliphelliphelliphellip uacutehlovaacute rychlost (frekvence)
ρ (Ωm)helliphelliphelliphellip měrnyacute odpor
micro0 (Hm-1)helliphelliphellip permeabilita vakua (4π10-7)
micror (-)helliphelliphelliphelliphellip poměrnaacute permeabilita
TRhelliphelliphelliphelliphelliphellip transformaacutetor
C (F)helliphelliphelliphelliphellip kapacita
Txhelliphelliphelliphelliphelliphellip transmitter - vysiacutelač
Rxhelliphelliphelliphelliphelliphellip receiver - přijiacutemač
SShelliphelliphelliphelliphellip stainless steel - nerezovaacute ocel
IQ2helliphelliphelliphelliphellip model detektoru společnosti Loma Systems sro
IQ3helliphelliphelliphelliphellip novějšiacute model detektoru společnosti Loma Systems sro
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
10
Uacutevod Po zveřejněniacute bakalaacuteřskeacute praacutece Detektory kovů projevila společnost Loma Systems
sro zaacutejem o spolupraacuteci v oblasti vyacuteroby a vyacutevoje průmyslovyacutech detektorů kovu
Společnosti Loma a Cintex byly založeny před 30 lety a jsou předniacutemi světovyacutemi
producenty v oblasti potravinovyacutech farmaceutickyacutech a textilniacutech kontrolniacutech systeacutemů ndash
detektorů kovu rentgenoveacute kontroly a zařiacutezeniacute kontrolniacuteho vaacuteženiacute Sveacute prestižniacute postaveniacute
ziacuteskaly diacuteky sveacute trvaleacute kvalitě a pokročilyacutem technologiiacutem což je vyacutesledkem neustaacuteleacuteho a
rozsaacutehleacuteho vyacutezkumneacuteho a vyacutevojoveacuteho programu
Hlavniacute siacutedlo je ve Farnborough ve Velkeacute Britaacutenii Vyacutezkumnaacute a vyacutevojovaacute centra jsou
jak ve Velkeacute Britaacutenii tak v Chicagu ve Spojenyacutech staacutetech a nyniacute se zřizuje i zde v Českeacute
republice Většina vyacuteroby je ve Velkeacute Britaacutenii a Chicagu nyniacute se postupně přesouvaacute do nově
zřiacutezeneacute provozovny v Českeacute republice (Dobřany) Společnost maacute takeacute přiacutemeacute prodejniacute a
servisniacute zastoupeniacute ve Francii Německu Nizozemiacute Čiacuteně Kanadě a USA Mimo tyto oblasti
těsně spolupracuje s distributory a podiacuteliacute se vyacuterobou a dodaacutevkami součaacutestek pro vyacuterobce ve
viacutece než 35 zemiacutech po celeacutem světě aby zajistila že se zaacutekazniacutekům dostaacutevaacute plneacuteho servisu a
podpory ať už se nachaacutezejiacute kdekoliv [1]
Ciacutelem společnosti je vytvořeniacute kolektivu pracovniacuteků v ČR kteřiacute se již v teorii detekce
kovů orientujiacute a jsou schopni pracovat na probleacutemech a slabyacutech straacutenkaacutech vyacuteroby a podiacutelet se
na vyacutevoji novyacutech detektorů Po dohodě byl vymezen okruh probleacutemů ve kteryacutech by bylo
vhodneacute proveacutest určitaacute zlepšeniacute jak po straacutence technickeacute tak technologickeacute s ohledem na
ekonomickeacute uacutespory a zlepšeniacute vyacuterobniacuteho procesu
V teacuteto praacuteci je uveden popis principu staacutevajiacuteciacuteho zařiacutezeniacute společnosti Loma Systems
sro postup vyšetřovaacuteniacute magnetickeacuteho pole tohoto zařiacutezeniacute a naacutevrh optimalizace z pohledu
zlepšeniacute kvality detekce a stiacuteněniacute elektromagnetickeacuteho pole
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
11
1 Zaacutekladniacute fyzikaacutelniacute principy detektor ů kovu Principy detektorů kovů jsou založeny na využiacutevaacuteniacute specifickyacutech vlastnostiacute kovů
Kovy se od okolniacutech materiaacutelů lišiacute hlavně
bull měrnyacutem elektrickyacutem odporem
bull magnetickyacutemi vlastnostmi
Většina hledanyacutech objektů je energeticky pasivniacute proto je pro jejich detekci potřeba
energii dodaacutevat Dodaacutevanaacute energie je většinou vyzařovaacutena detektorem čaacutestiacute kteraacute maacute funkci
vysiacutelače Vysiacutelanaacute energie může byacutet akustickaacute na tomto principu funguje sonar nebo
elektromagnetickaacute což je princip většiny detektorů od radarů přes průmysloveacute detektory až k
tzv minohledačkaacutem Zde se využiacutevaacute vyacuteše jmenovanyacutech odlišnostiacute ktereacute majiacute vliv na
pohlcenou odraacuteženou a zbytkovou energii kteraacute je detekovanyacutem objektem vyzařovaacutena zpět
nebo jinyacutem způsobem deformuje elektromagnetickeacute pole Množstviacute pohlceneacute energie je daacuteno
matematickyacutem vyacuterazem (11) kteryacute určuje tzv hloubku vniku δ ve ktereacute se přivedenaacute energie
vlivem viacuteřivyacutech proudů sniacutežiacute na polovinu
( )mmicroωρδ
sdotsdot= 2
(11)
kde micro = micro0 micror
Vyacuteraz (11) je třeba uvažovat při řešeniacute energie pohlceneacute nebo odraacuteženeacute z hlediska volby
frekvence vysiacutelaneacute energie neboť
( )12 minussdotsdot= sfπω (12)
Druhou skupinu tvořiacute objekty ktereacute do sveacuteho okoliacute nějakou formou energii vyzařujiacute
Vyzařovanaacute energie může byacutet
bull akustickaacute (lokalizovaacuteniacute polohy ponorek)
bull elektromagnetickaacute (vyzařovaacuteniacute většiny elektrickyacutech zařiacutezeniacute točivyacutech i netočivyacutech
lokalizovaacuteniacute letadel ndash systeacutem TAMARA)
bull tepelnaacute (termovize tepelneacute navaacuteděniacute řiacutezenyacutech střel)
bull gama zaacuteřeniacute (vyhledaacutevaacuteniacute izotopů)
Zvlaacuteštniacutem přiacutepadem je situace kdy hledanyacute objekt i detektor jsou pasivniacute a k detekci je
využiacutevaacutena změna energie z ciziacuteho zdroje Konkreacutetniacutem přiacutepadem je přiacutestroj nazyacutevanyacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
12
magnetometr kteryacute detekuje objekty na zaacutekladě změny intenzity magnetickeacuteho pole země
vyvolaneacute hledanyacutem objektem Deformaci magnetickeacuteho pole země nezpůsobujiacute pouze kovy
ale i jineacute nehomogenity jako jsou jeskyně dutiny nebo remanentniacute magnetickeacute pole [2]
2 Principy aktivniacutech elektromagnetickyacutech detektor ů kovu
Pro detekci jsou obecně využiacutevaacuteny změny sniacutemaneacute veličiny ktereacute jsou způsobeny
hledanyacutem předmětem materiaacutelem Při vyhledaacutevaacuteniacute objektů elektromagnetickyacutem polem se
využiacutevaacute dvou materiaacutelovyacutech vlastnostiacute způsobujiacuteciacute jeho deformaci Zaprveacute je to deformace
pole feromagnetickyacutem materiaacutelem (např permaloy ferit železo) jehož magnetickaacute vodivost
převyšuje vodivost elektrickou a způsobuje soustředěniacute siločar pole do objektu obr 21
Obr 21 Feromagnetickyacute objekt Obr 22 Neferomagnetickyacute objekt
Materiaacutely u kteryacutech převyšuje elektrickaacute vodivost nad magnetickou (např měď hliniacutek)
uplatňujiacute druhyacute princip a tiacutem je deformace původniacuteho pole polem sekundaacuterniacutem Sekundaacuterniacute
pole vznikaacute viacuteřivyacutemi proudy naindukovanyacutemi ve vodiveacutem předmětu vystaveneacutemu původniacutemu
poli Ze zaacutekona o zachovaacuteniacute energie plyne že sekundaacuterniacute pole působiacute proti původniacutemu
Naacutesledkem tohoto jevu dojde k obtečeniacute objektu siločarami původniacuteho vyzařovaneacuteho pole
obr 22 [3]
21 Princip balan čniacutech detektor ů Většina průmyslovyacutech detektorů kovu pracuje na balančniacutem principu podrobnyacute popis
ostatniacutech principů je uveden napřiacuteklad ve [3]
Tento princip je založen na vyvaacuteženyacutech (vybalancovanyacutech) ciacutevkaacutech (IB ndash Induction
Balance) Z toho plyne že hledaciacute sonda je složena z minimaacutelně dvou ciacutevek popřiacutepadě dvou
systeacutemů ciacutevek z nichž jeden je vysiacutelaciacute a druhyacute pracuje jako přijiacutemač (Transmitter Receiver
ndash TR) Tyto detektory byacutevajiacute označovaacuteny TR-IB V přiacutepadě dvou ciacutevek je přijiacutemaciacute ciacutevka
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
13
umiacutestěna vzhledem k vysiacutelaciacute ciacutevce tak že naindukovaneacute napětiacute při nepřiacutetomnosti kovu je
rovno nule tzv uspořaacutedaacuteniacute překryacutevanyacutech ciacutevek tvaru D Stejneacuteho efektu lze dosaacutehnou při
pozici ciacutevek vzaacutejemně pootočenyacutech o 90deg Jestliže je na straně přiacutejmu soustava dvou ciacutevek
umiacutestiacute se vzhledem k vysiacutelaciacute ciacutevce tak že v nepřiacutetomnosti kovu se do ciacutevek indukuje stejně
velkeacute napětiacute ktereacute se mezi sebou odečte Rozdiacutelu obou napětiacute na přijiacutemaciacutech ciacutevkaacutech je roven
nule (obr 23)
Obr 23 Uspořaacutedaacuteniacute systeacutemu ciacutevek Jakaacutekoliv deformace pole vysiacutelaciacute ciacutevky maacute za naacutesledek porušeniacute rovnovaacutehy a na přijiacutemaciacute
straně se objeviacute napětiacute indikujiacuteciacute přiacutetomnost kovu Indukovaneacute napětiacute v přijiacutemaciacute ciacutevce lze
matematicky popsat vztahem (21)
( )ϕω +sdotsdot= tAU sin (21)
kde A amplituda signaacutelu
ω uacutehlovaacute frekvence signaacutelu
φ faacutezovyacute posuv oproti vysiacutelaneacutemu signaacutelu
Pokud se pod ciacutevkami nachaacuteziacute elektricky vodivyacute objekt z neferomagnetickeacuteho
materiaacutelu je pole deformovaacuteno sekundaacuterniacutem polem způsobenyacutem viacuteřivyacutemi proudy ktereacute
působiacute proti poli původniacutemu Pak přijiacutemaneacute napětiacute UPN v přijiacutemaciacute ciacutevce bude miacutet maximaacutelniacute
hodnotu v okamžiku největšiacute změny vysiacutelaneacuteho napětiacute UV V přiacutepadě indikace
feromagnetickeacuteho materiaacutelu je indukovaneacute napětiacute UPF ve faacutezi s vysiacutelaciacutem napětiacutem Protože je
v praxi nemožneacute dosaacutehnout absolutniacuteho vyvaacuteženiacute ciacutevek bude v přijiacutemaciacute ciacutevce vždy nějakeacute
maleacute napětiacute Na obr 24 jsou ideaacutelniacute přijiacutemaneacute signaacutely pro různeacute druhy kontaminantů U
obecnyacutech materiaacutelů se ve skutečnosti uplatňujiacute jak feromagnetickeacute vlastnosti tak vodivostniacute
Z tohoto důvodu bude miacutet napětiacute UP indukovaneacute v přijiacutemaciacute ciacutevce faacutezovyacute posuv oproti
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
14
vysiacutelaneacutemu v intervalu
20π
[2]
Obr 24 Průběhy napětiacute UV ndash vysiacutelaneacute napětiacute UPF ndash ideaacutelniacute přijiacutemaneacute napětiacute (feromagnetickyacute materiaacutel) UPN ndash ideaacutelniacute přijiacutemaneacute napětiacute (neferomagnetickyacute materiaacutel) UP ndash skutečneacute přijiacutemaneacute napětiacute [2]
Existujiacute různeacute možnosti dociacuteleniacute nuloveacuteho klidoveacuteho přenosu mezi ciacutevkami Zaprveacute
prostorovyacutem odděleniacutem kdy osy ciacutevek mezi sebou sviacuterajiacute uacutehel 90deg vysiacutelaciacute ciacutevka je uložena
svisle a přijiacutemaciacute ciacutevka vodorovně obr 25 Tyto detektory byly nazyacutevaacuteny bdquoTwo boxldquo [2]
Obr 25 Princip prostoroveacuteho uspořaacutedaacuteniacute 90deg ciacutevek [2]
V druheacutem přiacutepadě jsou obě ciacutevky uloženy vodorovně ale jejich prostoroveacute uspořaacutedaacuteniacute se voliacute
takoveacute aby byla vzaacutejemnaacute indukčnost nulovaacute Toho je dociacuteleno tiacutem že přijiacutemaciacute ciacutevkou
U (V)
t (s)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
15
prochaacuteziacute stejneacute množstviacute siločar vysiacutelaciacute ciacutevky v jednom i druheacutem směru a tiacutem dochaacuteziacute ke
kompenzaci (vyrušeniacute) jejich uacutečinku obr 26
Obr 26 Princip prostoroveacuteho uspořaacutedaacuteniacute překryacutevajiacuteciacutech se ciacutevek [2]
Společnosti vyraacutebějiacuteciacute průmysloveacute detektory kovů majiacute většinou sveacute specifickeacute uspořaacutedaacuteniacute
ciacutevek
Obr 27 Viacutece ciacutevkoveacute uspořaacutedaacuteniacute detektoru společnosti Ad controls sro a jeho skutečneacute provedeniacute [4]
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
16
Obr 28 Třiacute ciacutevkoveacute uspořaacutedaacuteniacute detektoru společnosti Loma Systems sro
Kvalita detektoru je daacutena předevšiacutem ciacutevkovou soustavou a neměnnostiacute jejiacutech vlastnostiacute a daacutele
volbou pracovniacuteho kmitočtu Špičkou mezi dnešniacutemi detektory jsou zařiacutezeniacute umožňujiacuteciacute
činnost při různyacutech budiacuteciacutech kmitočtech Vyacutehodou těchto systeacutemů je možnost použiacutevat viacutece
zařiacutezeniacute bliacutezko u sebe a hlavně možnost použitiacute různyacutech frekvenciacute pro rozdiacutelneacute produkty s
ohledem na citlivost a kvalitu detekce
3 Zařiacutezeniacute spole čnosti Loma Systems sro Podmiacutenkou k dalšiacute vyacutevojoveacute činnosti je podrobnaacute znalost vyraacuteběnyacutech zařiacutezeniacute a
vyacuterobniacutech technologiiacute v daneacutem podniku
Obr 31 Detektor kovů IQ3 s dotykovyacutem ovlaacutedaacuteniacutem společnosti Loma Systems sro [1]
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
17
31 Obecneacute informace Jsou vyraacuteběny dva typy detektorů ktereacute pracujiacute na stejneacutem principu ale lišiacute se
vysiacutelaciacutemi průběhy budiacuteciacuteho napětiacute a možnostiacute pracovat na různyacutech kmitočtech
Staršiacute model označenyacute jako IQ2 je vyraacuteběnyacute ve třech variantaacutech jako farmaceutickyacute
detektor detektor s volnyacutem propadem produktu nebo detektor s produktem dopravovanyacutem
potrubiacutem Posledniacute dva jmenovaneacute jsou takeacute vyraacuteběny na zaacutekladě technologie IQ3 Tento
systeacutem umožňuje činnost detektoru na různyacutech budiacuteciacutech kmitočtech a je použit hlavně u
dopravniacutekovyacutech detektorů Detektor IQ2 pracuje na neměnneacute frekvenci 1 MHz
Dopravniacutekoveacute detektory jsou vyraacuteběny ve dvou variantaacutech normaacutelniacute (detekčniacute otvor
maacute stěny opatřeneacute vrstvou modreacuteho epoxidu) a detektory pro extreacutemně nepřiacutezniveacute podmiacutenky
(stěny detekčniacuteho otvoru jsou pokryty odolnyacutem plastem) ktereacute odolaacutevajiacute i vysokotlakeacutemu
vodniacutemu čištěniacute Obě varianty jsou vhodneacute i pro použitiacute v potravinaacuteřskeacutem průmyslu
Všechny detektory jsou schopny pracovat při siacuteťoveacutem napětiacute 110115200220230 V
50 nebo 60 Hz 1f 380400 V 5060 Hz 3f a majiacute stupeň krytiacute IP 69K což umožňuje uacutedržbu
vysokotlakyacutemi vodniacutemi čističi Ovlaacutedaacuteniacute a komunikace s detektorem je zajištěna LCD
displejem s tlačiacutetky nebo displejem dotykovyacutem Každyacute detektor je vybaven releacuteovyacutemi
vyacutestupy jimiž je možno ovlaacutedat chod dopravniacuteku vyřazovaciacute systeacutem signalizačniacute lampy či
klakson
Detektor jako takovyacute se sklaacutedaacute z jedneacute čaacutesti kde je jak samotnyacute detekčniacute otvor tak i
veškeraacute elektronika Detekčniacute otvor tvořiacute jaacutedro z tvrzeneacuteho papiacuteru (Tufnol) do ktereacuteho jsou
vlepeny vodiče ciacutevek Stěny detekčniacuteho otvoru jsou opatřeny modryacutem epoxidem nebo biacutelyacutem
polyethylenem (Acetal) kteryacute maacute většiacute mechanickou odolnost Celeacute zařiacutezeniacute je uzavřeno v
obalu z nerezoveacute oceli ANSI 304 (DIN 14301) tloušťky 3 mm Prostor mezi jaacutedrem a
nerezovyacutem obalem je vyplňovaacuten pěnivyacutem epoxidem
Elektronika detektoru obsahuje tři desky plošnyacutech spojů a ovlaacutedaciacute displej Hlavniacute
čaacutestiacute je řiacutediacuteciacute deska (Control board) na ktereacute se nachaacuteziacute blok napaacutejeciacuteho zdroje
vyhodnocovaciacute obvody paměti AD převodniacuteky signaacutelu a vstupniacutevyacutestupniacute obvody Dalšiacutemi
čaacutestmi jsou vysiacutelaciacute deska (Transmitter board) a deska přijiacutemače (Receiver board)
32 Vysiacutelaciacute čaacutest - Tx Postupneacute upouštěniacute od vyacuteroby zastaraleacute verze detektorů IQ2 je důvodem pro zaměřeniacute
teacuteto praacutece na detektory IQ3 Systeacutem IQ3 je multifrekvenčniacute založenyacute na balančniacutem principu
Oproti standardniacutem balančniacutem detektorům je zde vysiacutelaciacute ciacutevka buzena nespojityacutem signaacutelem
Vyacutehodou použitiacute tohoto signaacutelu je snadnaacute změna frekvence možnost řiacutezeniacute vysiacutelaciacuteho vyacutekonu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
18
a celkoveacute zvyacutešeniacute kvality detekce neboť rychlyacutem změnaacutem budiacuteciacuteho proudu odpoviacutedaacute velkaacute
změna magnetickeacuteho indukčniacuteho toku Dle Faradayova indukčniacuteho zaacutekona je velikost
indukovaneacuteho napětiacute daacutena rychlostiacute změny magnetickeacuteho indukčniacuteho toku (31)
tU i ∆
∆Φminus= (31)
Činnost Tx boardu (vysiacutelaciacute desky) je řiacutezena mikrokontrolerem kteryacute komunikuje s
Control boardem seacuteriovyacutem rozhraniacutem Deska umožňuje kontrolu napaacutejeniacute vysiacutelaciacuteho proudu
teploty a přiacutepadneacute přerušeniacute Tx vinutiacute (vysiacutelaciacute ciacutevky) Mikrokontroler řiacutediacute jak vysiacutelaciacute
průběh tak vyhodnocovaciacute obvody ktereacute jsou na Rx boardu (přijiacutemaciacute deska)
Na Tx board jsou přivaacuteděna napětiacute 12 V -12 V proti zemi použiacutevanaacute k buzeniacute Tx
vinutiacute Z kladneacuteho napětiacute se daacutele ziacuteskaacutevaacute napětiacute 33 V a 18 V pro napaacutejeniacute ostatniacutech obvodů
Budiacuteciacute signaacutel je kvůli požadovaneacutemu vysokeacutemu pulsniacutemu vyacutekonu odebiacuteraacuten z kondenzaacutetoroveacute
baterie Velikost odebiacuteraneacuteho proudu je měřena operačniacutem zesilovačem zapojenyacutem jako
převodniacutek IU
Vyacutekonovaacute čaacutest Tx boardu je tvořena čtyřmi MOSFET tranzistory řiacutezenyacutemi
mikrokontrolerem Vyacutekonoveacute tranzistory T1 až T4 jsou zapojeny dle obr 32
Obr 32 Zapojeniacute koncoveacute čaacutesti vysiacutelače
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
19
Vysiacutelaciacute ciacutevka je tvořena pouze jedniacutem zaacutevitem Cu draacutetu ϕ 1 mm jeho indukčnost a kapacita
je vzhledem k jeho vodivosti zanedbatelnaacute a při nižšiacutech frekvenciacutech se tedy chovaacute jako zkrat
Pokud je časovyacute posuv mezi U1 a U2 roven nule pak napětiacute UTX je takeacute rovno nule a Tx
ciacutevkou neteče žaacutednyacute proud obr 33
-12
-8
-4
0
4
8
12
16U1 (V)
-16
-12
-8
-4
0
4
8
12
16
000E+00 100E-05 200E-05 300E-05 400E-05 500E-05 600E-05
čas (s)
U2 (V)
Obr 331 Průběhy signaacutelů U1 a U2 přivaacuteděnyacutech na vyacutevody Tx vinutiacute V detektoru by se dala naměřit pouze elektrickaacute složka pole odpoviacutedajiacuteciacute původniacutemu signaacutelu
Pro detekci kovu je však důležiteacute elektromagnetickeacute pole kteraacute vznikaacute průchodem proudu
vinutiacutem Proudoveacuteho impulsu je dosaženo časovyacutem posunem mezi napětiacutemi U1 a U2
přivaacuteděnyacutemi na svorky Tx vinutiacute V tomto přiacutepadě potečou zkratoveacute proudoveacute pulsy
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
20
odpoviacutedajiacuteciacute připojeneacutemu napětiacute UTX viz obr 34 Vyacutekon detektoru je tedy řiacutezen časovyacutem
posunem mezi průběhy napětiacute U1 a U2 Tomuto časoveacutemu posuvu pak odpoviacutedaacute i velikost
odebiacuteraneacuteho proudu do Tx vinutiacute
-12
-8
-4
0
4
8
12
16U1 (V)
-12
-8
-4
0
4
8
12
16U2 (V)
000E+00 100E-05 200E-05 300E-05 400E-05 500E-05 600E-05
Čas (s)
I (A)
Obr 34 Časově posunutaacute napětiacute U1 U2 přivaacuteděnaacute na vyacutevody Tx vinutiacute a průběh proudu I v Tx vinutiacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
21
33 Přijiacutemaciacute čaacutest - Rx Zaacutekladem přijiacutemaciacute čaacutesti je soustava složenaacute ze dvou paralelně spojenyacutech Rx ciacutevek
podle obr 35 každaacute se dvěma zaacutevity U tohoto uspořaacutedaacuteniacute hraje důležitou roli smysl vinutiacute
Rx ciacutevek (označeniacute počaacutetku a konce vinutiacute) a jejich přesnaacute poloha Tx musiacute prochaacutezet přesně
v jedneacute polovině vzdaacutelenosti l
Obr 35 Geometrickeacute uspořaacutedaacuteniacute je voleno tak že pokud neprochaacuteziacute detektorem kontaminant napětiacute
indukovaneacute napaacutejenou ciacutevkou Tx do Rx ciacutevek je minimaacutelniacute
Jak bylo řečeno v kapitole 32 pro detekci kovu je podstatneacute elektromagnetickeacute pole
Elektrickeacute pole je odstraněno na primaacuterniacutem vinutiacute vstupniacuteho transformaacutetoru TR s dvojityacutem
primaacuterniacutem vinutiacutem zapojenyacutem proti sobě v poměru k sekundaacuterniacutemu vinutiacute 1+130 umiacutestěnyacutem
na Rx boardu Na obraacutezku 36 je zapojeniacute vstupniacuteho obvodu Rx boardu Elektrickaacute složka
pole maacute vůči zemi na obou vyacutevodech Rx ciacutevek stejnyacute průběh Primaacuterniacute vinutiacute TR maacute
vyvedenyacute střed na zem čiacutemž se elektrickaacute složka pole uzemniacute (teče proud) Protože jsou
Rx1 ciacutevka
Rx2 ciacutevka
Tx ciacutevka
l
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
22
průběhy na obou vyacutevodech stejneacute magnetickeacute toky v TR vyvolaneacute proudem působiacute proti sobě
a na sekundaacuterniacute vinutiacute se neindukuje žaacutedneacute napětiacute Dojde-li k narušeniacute magnetickeacuteho pole
uvnitř detekčniacuteho prostoru vznikaacute rozdiacutel naindukovaneacuteho napětiacute v leveacutem a praveacutem vodiči Rx
ciacutevky Tento rozdiacutel napětiacute maacute za naacutesledek tok proudu kteryacute se uzaviacuteraacute přes primaacuterniacute vinutiacute
TR1 a indukuje napětiacute na sekundaacuterniacute straně Toto napětiacute je daacutele zpracovaacutevaacuteno
Obr 36 Vstupniacute obvod Rx boardu
34 Princip vyhodnocovaacuteniacute Signaacutel na sekundaacuterniacutem vinutiacute transformaacutetoru TR je zpracovaacutevaacuten blokem obvodů pro
uacutepravu signaacutelu Ten obsahuje aktivniacute filtr a integračniacute člen s niacutezko-šumovyacutem operačniacutem
zesilovačem Za integračniacutem členem je měřiciacute bod kteryacute je využit při oživovaacuteniacute detektorů
Napětiacute Ub (balance signal) v tomto bodě se zobrazuje na osciloskopu a jeho maximaacutelniacute
hodnota by neměla přesaacutehnout 6 V špička - špička Čiacutem je rozkmit toho napětiacute nižšiacute tiacutem lze
dosaacutehnout vyššiacute citlivosti detektoru (kap 35 Vyvažovaacuteniacute detektoru) Nuloveacuteho rozkmitu
nelze dosaacutehnout mimo jineacute kvůli vyacuterobniacutem toleranciacutem zařiacutezeniacute a nehomogenitaacutem Citlivost
elektronickyacutech čaacutestiacute je velmi vysokaacute a uplatňujiacute se rušiveacute vlivy při jejich činnosti (vliv
teploty mechanickeacute chvěniacute) Napětiacute Ub odpoviacutedaacute vyrovnaacutevaciacutemu proudu v Rx ciacutevkaacutech
Přiacuteklad jeho průběhu bez kontaminantu je na obr 37
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
23
Obr 37 Přiacuteklad průběhu napětiacute Ub
Napětiacute Ub je přivaacuteděno na dva samostatneacute elektronickeacute obvody (řiacutezeneacute usměrňovače)
ovlaacutedaneacute řiacutediacuteciacutemi napětiacutemi z mikrokontroleru (na Tx boardu) Dvě řiacutediacuteciacute napětiacute jednoho
usměrňovače jsou vůči sobě o π posunuty a zaacuteroveň jsou posunuty o π2 proti dvěma řiacutediacuteciacutem
napětiacutem druheacuteho usměrňovače Vyacutesledkem jsou dva napěťoveacute signaacutely (P a Q) ktereacute jsou daacutele
zpracovaacutevaacuteny (integrace zesiacuteleniacute) s možnostiacute ručniacute volby zesiacuteleniacute ve čtyřech stupniacutech
(ovlaacutedaacuteniacute citlivosti detektoru) Tyto signaacutely jsou již nositelem informace a jsou na Control
boardu převedeny do digitaacutelniacute podoby Takto upraveneacute signaacutely jsou vyhodnocovaacuteny
algoritmy v hlavniacutem mikrokontroleru
35 Vyvažovaacuteniacute detektoru Zaacutekladem kvalitniacute a stabilniacute detekce je ciacutevkovyacute systeacutem Aby se dosaacutehlo co nejlepšiacuteho
vyvaacuteženiacute ciacutevek je nutnaacute přesnaacute bytelnaacute a rozměrově staacutelaacute konstrukce Detektory společnosti
Loma Systems sro majiacute ciacutevky uloženeacute ve vyfreacutezovanyacutech draacutežkaacutech a zajištěneacute epoxidovyacutem
lepidlem I přes to je detektor po osazeniacute elektronikou značně nevyvaacuteženyacute balančniacute napětiacute Ub
překračuje požadovanou hodnotu 6 V špička - špička natolik že může dojiacutet i k saturaci
elektronickyacutech obvodů Je tedy nutneacute ciacutevkovyacute systeacutem vyvaacutežit (vybalancovat)
Nejprve se provede hrubeacute laděniacute spočiacutevajiacuteciacute v tvarovaacuteniacute maleacute smyčky Tx vinutiacute v čele
detektoru obr 38
0 T2 T
25 V Ub
-25 V
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
24
Obr 38 Vyvažovaciacute očko na Tx vinutiacute a vlepenyacute pliacutešek uvnitř detekčniacuteho otvoru
Tato smyčka plniacute funkci kompenzačniacuteho vinutiacute po natvarovaacuteniacute je očko zaliteacute epoxidovyacutem
lepidlem U detektorů s vnitřniacute uacutepravou detekčniacuteho otvoru modryacutem epoxidem se do
detekčniacuteho otvoru daacutele vlepujiacute vyvažovaciacute pliacutešky různyacutech tvarů a velikostiacute (od 1 cm2 do 4
cm2) obr 38 ktereacute se naacutesledně zalijiacute do roviny modryacutem epoxidem Jako materiaacutel
vyvažovaciacutech pliacutešků je použita nerezovaacute ocel ANSI 304 (DIN 14301) tloušťky 2 mm Druhyacute
typ detektorů s odolnyacutem plastovyacutem povrchem (typ US) neumožňuje vlepovaacuteniacute pliacutešků
dovnitř detekčniacuteho otvoru Balancovaacuteniacute se tedy provaacutediacute přesnějšiacutem tvarovaacuteniacutem Tx očka
popřiacutepadě vlepovaacuteniacutem pliacutešků v jeho okoliacute
Pro jemneacute doladěniacute se u obou těchto variant (US typ a klasickyacute s modrou epoxidovou
vyacuteplniacute detekčniacuteho otvoru) osazujiacute balančniacute moduly obr 39 ktereacute na plastoveacutem otočneacutem diacutelu
majiacute tuning block o rozměrech cca 05 cm2 z 5 mm tlusteacuteho nerezu Oba balančniacute moduly
umožňujiacute pohyb tuning blocku v okoliacute vyvažovaciacuteho očka
Obr 39 Balančniacute moduly i s kryciacutemi plechy vlevo US vpravo klasickyacute
Tyto moduly nejsou přiacuteliš efektivniacute a sloužiacute pouze k miacuterneacutemu vyvaacuteženiacute Použiacutevajiacute se dva typy
Tuning block
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
25
těchto modulů podle varianty vnitřniacute vyacuteplně detektoru (US typ a klasickyacute s modrou
epoxidovou vyacuteplniacute detekčniacuteho otvoru) Jedniacutem z přijatyacutech naacutevrhů pro vylepšeniacute detektorů s
modrou epoxidovou vyacuteplniacute je použitiacute stejneacuteho balančniacuteho modulu jako u detektoru typu US
Vyacuterobniacute cena US balančniacuteho modulu je podstatně nižšiacute a umožňuje změnu polohy
vyvažovaciacuteho diacutelu nejen po obvodu kružnice ale i změnu vzdaacutelenosti mezi rovinami očka a
tuning bloku Změna teacuteto vzdaacutelenosti se využije v přiacutepadě kdy po osazeniacute detektoru s modrou
epoxidovou pryskyřiciacute balančniacutem modulem dojde ke zhoršeniacute vyvaacuteženiacute ktereacute pouhyacutem
natočeniacutem po kružnici nelze vykompenzovat Použiacutevaacuteniacutem pouze balančniacuteho modulu typu
US by se dosaacutehlo sniacuteženiacute počtu součaacutestek ve vyacuterobniacutem procesu sniacuteženiacute naacutekladů na vyacuterobu
detektoru s modrou epoxidovou vyacuteplniacute detekčniacuteho prostoru a odstranil by se i probleacutem
vznikajiacuteciacute při osazeniacute těchto detektorů balančniacutemi moduly
Dalšiacute naacutevrh se tyacutekal materiaacutelu použiteacuteho na tuning block Snahou bylo zvyacutešit vliv
tuning bloku natolik aby bylo možneacute vynechat kompenzačniacute očko čiacutemž by došlo k urychleniacute
laděniacute Byly testovaacuteny materiaacutely FeNi47ln5 tloušťky 03 mm a FeNi42 tloušťky 04 mm Byl
zvolen tvar kteryacute umožňoval použitiacute staacutevajiacuteciacutech US modulů obr 310 Vliv tuning blocků
se sice zvyacutešil nicmeacuteně ne natolik aby mohlo byacutet vyvažovaciacute očko zcela vynechaacuteno
Obr 310 Prototypy tuning blocků z novyacutech materiaacutelů
36 Vyacutestupniacute kontrola Před samotnou expediciacute detektoru je nutneacute proveacutest kontrolu detekce Kvalita detekce
je ověřovaacutena třemi typy kontaminantů neželeznyacute - NONFE (mosaz) železnyacute - FE (chromovaacute
ocel) a nerezovyacute - SS (ANSI 304) K tomu jsou určeny přiacutepravky na obr 311 a 312 Jednaacute
se o kuličky definovanyacutech průměrů ktereacute jsou zaliteacute v plastovyacutech tyčinkaacutech opatřenyacutech
rozměrovou specifikaciacute kontaminantu Barva tyček odlišuje použityacute typ kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
26
Obr 311 Testovaciacute vzorky pro dopravniacutekoveacute detektory
Obr 312 Testovaciacute vzorky pro farmaceutickeacute detektory
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
27
4 Optimalizace a stiacuten ěniacute detektoru Jedniacutem z bodů teacuteto praacutece je navrženiacute optimalizaciacute průmysloveacuteho detektoru kovu z
hlediska kvality detekce a vyšetřeniacute elektromagnetickeacuteho pole s ohledem na rušiveacute vlivy Z
počaacutetku byly provaacuteděny pokusy se stiacuteněniacutem ciacutevek s ohledem na rušeniacute vnějšiacutem
elektromagnetickyacutem polem Prvniacute uacutevahy vedly k použitiacute stiacuteniacuteciacuteho materiaacutelu s velkou
permeabilitou kteryacute by do sebe soustředil většiacute množstviacute indukčniacutech čar unikajiacuteciacutech do okoliacute
a tiacutem omezil vnějšiacute rušeniacute Na zaacutekladě teacuteto uacutevahy byly testovaacuteny dva materiaacutely FeNi47ln5
tloušťky 03 mm a FeNi42 tloušťky 04 mm ktereacute mohou dosahovat relativniacute permeability až
micror_12106 [5] Těmito pokusy se sice sniacutežilo množstviacute indukčniacutech čar magnetickeacuteho pole
unikajiacuteciacuteho z detektoru ale vlivem přiacuteliš velkeacute permeability bylo ovlivněno i pole uvnitř
detekčniacuteho prostoru kde došlo ke sniacuteženiacute citlivosti Tento naacutevrh měl dalšiacute negativniacute faktory
jako je vysokaacute cena použityacutech materiaacutelů a omezeneacute vyacuterobniacute možnosti nedostačujiacuteciacute šiacuteřkou
paacutesů což by vedlo ke sklaacutedaacuteniacute plechů vedle sebe a tiacutem ke vzniku nehomogenit
Aby byly optimalizace efektivniacute je třeba znaacutet rozloženiacute elektromagnetickeacuteho pole
uvnitř detektoru a vlivy ktereacute na něj působiacute Proto bylo přistoupeno k využitiacute počiacutetačoveacuteho
softwaru Ansys Jednaacute se o profesionaacutelniacute software založenyacute na metodě konečnyacutech prvků Je
určen předevšiacutem pro simulace mechanickeacuteho namaacutehaacuteniacute ale umožňuje i řešeniacute teplotniacutech
elektromagnetickyacutech a sdruženyacutech poliacute [6] Ansys byl vybraacuten předevšiacutem pro možnost řešeniacute i
3D probleacutemů V teacuteto praacuteci bylo z důvodů vyacutepočetniacute naacuteročnosti a velkeacuteho množstviacute
jednotlivyacutech vyacutepočtů přistoupeno k řešeniacute probleacutemu pouze ve dvourozměrneacutem prostoru V
tomto přiacutepadě je řešeno nestacionaacuterniacute magnetickeacute pole ktereacute popisuje rovnice (41) [7]
( ) extr JArotdt
dABArotrot =timesminus+
minus γυγmicro1
(41)
kde
BArot = (42)
A magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel
micro permeabilita
Br remanentniacute indukce
B magnetickaacute indukce
γ měrnaacute elektrickaacute vodivost
ν rychlost pohybu tělesa v magnetickeacutem poli
Jext vektor vnějšiacute proudoveacute hustoty
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
28
41 Vyšet řovaacuteniacute vlivu pozice Rx vinutiacute Nejprve byly provedeny simulace staacutevajiacuteciacuteho zařiacutezeniacute o rozměrech detekčniacuteho otvoru
150 mm x 350 mm Zaacutekladniacute geometrie probleacutemu je na obraacutezku 41 Pro řešeniacute zaacutekladniacuteho
probleacutemu by bylo možneacute použiacutet symetrii modelu pokud však model doplniacuteme o kontaminant
možnost teacuteto symetrie odpadaacute Byly provedeny tři seacuterie vyacutepočtů ktereacute se lišily materiaacutelem
kontaminantu Každaacute seacuterie se sklaacutedala z 24 samostatnyacutech vyacutepočtů ve kteryacutech se postupně
měnila pozice kontaminantu tak jako je tomu při skutečneacute situaci na dopravniacutem paacutesu
Použityacutem APDL skriptem by bylo možneacute řešit i průchody kontaminantu v různyacutech vyacuteškaacutech
detekčniacuteho otvoru Pro potřeby těchto vyacutepočtů byl průchod zvolen středem jelikož je zde
citlivost detektoru nejnižšiacute Nutno poukaacutezat na skutečnost že kontaminant reprezentovanyacute
kružniciacute v řezu detektoru nelze považovat za kulovyacute nyacutebrž za vodič kruhoveacuteho průřezu
stejneacute deacutelky jako Tx respektive Rx vinutiacute Rozmeziacute pohybu kontaminantu bylo od -230 mm
do 230 mm vůči Tx vinutiacute s krokem 20 mm Obdeacutelniacuteky v okoliacute Tx vinutiacute byly vytvořeny za
uacutečelem možnosti zjemněniacute vyacutepočetniacute siacutetě v prostoru Tx a Rx vinutiacute Na obraacutezku 41 nejsou
namodelovaacuteny Rx ciacutevky neboť hodnota naindukovaneacuteho napětiacute byla ziacuteskaacutevaacutena v pěti
různyacutech vyacuteškovyacutech poziciacutech a bylo hodnoceno indukovaneacute napětiacute Ui
Obr 41 Zaacutekladniacute geometrie
nerezovyacute kryt
vodiče Tx vinutiacute
kontaminant
obdeacutelniacuteky vzduchoveacuteho okoliacute s jemnějšiacute vyacutepočetniacute siacutetiacute střed souřadneacuteho
systeacutemu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
29
411 Preprocessing - p řiacuteprava skriptu Nejprve bylo nutneacute zjistit geometrickeacute rozměry a materiaacuteloveacute konstanty zkoumaneacuteho
detektoru Geometrickeacute rozměry byly ziacuteskaacuteny z databaacuteze Solidworks modelů společnosti
Loma Systems sro V kapitole 71 je uacuteryvek APDL skriptu pro tvorbu geometrie
Materiaacutely použiteacute v modelu jsou vzduch vodiče Tx vinutiacute nerezovyacute obal detektoru a
materiaacutely kontaminantů V raacutemci zjednodušeniacute modelu nebyly uvažovaacuteny PVC izolace Tx
vinutiacute samotneacute Tufneloveacute jaacutedro a materiaacutel s niacutemž je prostor mezi jaacutedrem a nerezovyacutem
krytem vyplněn neboť tyto materiaacutely vykazujiacute z pohledu šiacuteřeniacute elektromagnetickeacuteho pole
stejneacute vlastnosti jako vzduch Konkreacutetniacute hodnoty materiaacutelovyacutech konstant viz tabulka 41
odpor Tx vinutiacute nebyl uvažovaacuten neboť jeho plochy byly zatiacuteženy definovanou proudovou
hustotou tudiacutež neniacute možneacute uvažovat přiacutepadně naindukovaneacute viacuteřiveacute proudy Daacutele bylo nutneacute
zvolit a spraacutevně nastavit použiteacute elementy modelu
Tab 41 Materiaacuteloveacute vlastnosti
měrnaacute
permeabilita [-] měrnyacute elektrickyacute
odpor [Ωm]
vzduch 1 -
Tx vinutiacute 1 -
nerezovaacute ocel (ANSI 304 DIN 14301)
1008 [10] 72010-7
neželeznyacute kontaminant (mosaz)
1 75010-8
železnyacute kontaminant (chromovaacute ocel)
400 12010-7
nerezovyacute kontaminant (ANSI 304 DIN 14301) 1008 72010-7
Jako elementy daneacuteho modelu byly zvoleny elementy PLANE53 určeneacute pro řešeniacute
magnetickeacuteho pole Jednaacute se o osmi uzloveacute elementy ktereacute mohou miacutet až čtyři stupně
volnosti na uzel Stupně volnosti mohou byacutet magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel (AZ) časově
integrovanyacute elektrickyacute skalaacuterniacute potenciaacutel (VOLT) elektrickyacute proud (CURR) a
elektromotorickaacute siacutela (EMF) [6] Geometrie elementu na obr 42
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
30
Obr 42 Geometrie elementu PLANE53 [6]
Uacuteryvek koacutedu v kapitole 72 obsahuje definovaacuteniacute materiaacutelovyacutech vlastnostiacute definovaacuteniacute
elementů a jejich nastaveniacute V dalšiacute časti bylo nutneacute jednotliveacute materiaacutely a elementy přiřadit
danyacutem plochaacutem
Daacutele bylo zapotřebiacute nastavit atributy pro automatickeacute siacuteťovaacuteniacute oblasti Je nutneacute aby v
tenkyacutech a malyacutech plochaacutech byla vyššiacute hustota siacutetě než na velkyacutech plochaacutech kde postačuje siacuteť
řidšiacute Velmi důležitaacute je kompatibilita siacutetě proto byla v okoliacute Tx vodičů vytvořena
obdeacutelniacutekovaacute oblast s hustšiacute siacutetiacute viz uacuteryvek koacutedu v přiacuteloze 73
Obr 43 Detailniacute pohled na siacuteť elementů
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
31
V posledniacute čaacutesti preprocessingu byla definovaacutena Dirichletova okrajovaacute podmiacutenka
udaacutevajiacuteciacute magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel roven nule na vnějšiacute hrany vzduchoveacuteho okoliacute a
průběh budiacuteciacute proudoveacute hustoty v Tx vodičiacutech V horniacutem a dolniacutem vodiči měly toky opačnyacute
smysl proto bylo nutneacute vytvořit dva vektory hodnot J1 (obr 44) a mJ1 V posledniacute řadě bylo
provedeno přiřazeniacute průběhů k plochaacutem viz kapitola 74
Obr 44 Průběh proudoveacute hustoty v ploše Tx vodiče
Ansys byl do Solution modu přepnut přiacutekazem SOL kde se provedlo nastaveniacute
analyacutezy a byl spuštěn vyacutepočet viz kapitola 76
412 Postprocessing - ziacuteskaacutevaacuteniacute vyacutesledk ů Ciacutelem teacuteto čaacutesti bylo zjištěniacute průběhů naindukovanyacutech napětiacute Ui v zaacutevislosti na čase
pro různeacute vyacuteškoveacute pozice přijiacutemaciacutech ciacutevek Rx Pro indukovaneacute napětiacute platiacute vztah
( )Vndt
dU i sdotΦminus= (43)
kde
( )TdxBlx
x
Yint sdotsdot=Φ2
1
(44)
n počet zaacutevitů Rx vinutiacute
l deacutelka Rx vinutiacute ve směru osy Z
x1 a x2 šiacuteřka Rx vinutiacute ve směru osy X
BY složka magnetickeacute indukce v ose Y
Zadaacuteniacutem souřadnic dvou bodů se nadefinovala uacutesečka (cesta) na kterou byly s určityacutem
J (Am-2)
kroky vyacutepočtu (-)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
32
krokem zaznamenaacuteny hodnoty magnetickeacute indukce BY Průběh BY v zaacutevislosti na souřadnici X
je na obr 45
Obr 45 Průběh magnetickeacute indukce BY v zaacutevislosti na souřadnici X
Obr 46 Průběh magnetickeacuteho toku Φ v zaacutevislosti na souřadnici X
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
33
Integrovaacuteniacutem průběhu BY se ziacuteskal průběh magnetickeacuteho indukčniacuteho toku Φ obr 46
Magnetickyacute indukčniacute tok Φ je roven určiteacutemu integraacutelu (rovnice 44) průběhu BY obr 45 Z
toho vyplyacutevaacute že magnetickyacute indukčniacute tok je roven posledniacute hodnotě průběhu na obr 46
Tato hodnota se vynaacutesobila deacutelkou Rx vinutiacute Postup vyacutepočtu se opakoval pro všechny pozice
Rx vinutiacute a to v každeacutem kroku transientniacute analyacutezy Tiacutem se ziacuteskala zaacutevislost magnetickeacuteho
indukčniacuteho toku Φ na čase t V programu MS Excel se vynaacutesobil tok počtem zaacutevitů Rx vinutiacute
a byla provedena derivace podle času (rovnice 43) Takto byly zpracovaacuteny vyacutesledky pro
všechny pozice kontaminantu vůči Tx vinutiacute APDL skript pro ziacuteskaacutevaacuteniacute hodnot viz kapitola
76 a v kapitole 77 je vyacutepis makra ktereacute uklaacutedaacute hodnoty do souboru
413 Hodnoceniacute vyacutesledk ů Vypočteneacute hodnoty Ui ve všech pěti vyacuteškovyacutech poziciacutech hrx byly vyneseny do grafů v
zaacutevislosti na čase Pokud se vynesou do jednoho grafu průběhy indukovanyacutech napětiacute pro
každou pozici kontaminantu v daneacute vyacutešce lze sledovat odezvu indukovaneacuteho napětiacute na
polohu kontaminantu Jelikož byly provedeny tři seacuterie vyacutepočtů s různyacutemi kontaminanty lze
porovnat i tvary přijiacutemanyacutech signaacutelu pro jednotliveacute materiaacutely Ciacutelem teacuteto čaacutesti je porovnat
signaacutely ziacuteskaacutevaneacute v různyacutech vyacuteškovyacutech polohaacutech Rx vinutiacute a vybrat nejvhodnějšiacute signaacutel pro
detekci
Na naacutesledujiacuteciacutech grafech jsou znaacutezorněny napěťoveacute průběhy během jedneacute periody v
zaacutevislosti na poloze kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
34
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 47 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 48 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
35
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 49 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 410 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
36
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 411 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 5)
Na obraacutezciacutech 47 až 411 jsou zobrazeny průběhy odpoviacutedajiacuteciacute průchodu železneacuteho
kontaminantu s relativniacute permeablitou 400 a měrnyacutem elektrickyacutem odporem 10210-7 Ωm Na
průběziacutech 47 48 a 411 lze pozorovat sice nižšiacute hodnotu signaacutelu ale celkovaacute deformace
během průchodu kontaminantu je většiacute
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 412 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
37
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 413 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 414 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
38
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 415 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 416 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce5)
Na obraacutezciacutech 412 až 416 jsou zobrazeneacute průběhy odpoviacutedajiacuteciacute průchodu kontaminantu z
nerezu ANSI 304 s relativniacute permeablitou 1008 a měrnyacutem elektrickyacutem odporem 7210-7
Ωm Při porovnaacuteniacute s předchoziacutem kontaminantem je změna signaacutelu nižšiacute což odpoviacutedaacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
39
předpokladům o obtiacutežnějšiacute detekci nerezovyacutech kontaminantů
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 417 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 418 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
40
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 419 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 420 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
41
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 421 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 5)
Na obraacutezciacutech 417 až 421 jsou zobrazeny průběhy odpoviacutedajiacuteciacute neželezneacutemu
kontaminantu (mědi) s parametry relativniacute permeablita 1 a měrnyacute elektrickyacute odpor 7510-8
Ωm Průběh signaacutelu je velmi podobnyacute signaacutelům nerezoveacuteho kontaminantu
Porovnaacuteniacutem všech grafů (obr 47 - obr 422) je obecně vidět že u průběhů ve vyacutešce
3 a 4 je zisk signaacutelu pro všechny modelovaneacute kontaminanty největšiacute Dochaacuteziacute zde ale ke
změně amplitudy pouze v jednom smyslu což z hlediska vyhodnocovaciacutech algoritmů zlepšeniacute
detekce vylučuje Naproti tomu je u signaacutelu ve vyacutešce 5 znatelně vyššiacute amplituda než v
použiacutevaneacute vyacutešce 2 Na zaacutekladě tohoto zjištěniacute bude zhotoven prototyp detektoru za uacutečelem
ověřeniacute teoretickyacutech vyacutesledků
Na obraacutezku 422 je ukaacutezka grafickeacuteho vyacutestupu zobrazujiacuteciacuteho vektory proudoveacute
hustoty naindukovaneacute v nerezoveacutem krytu a v kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
42
Obr 422 Vektory proudovyacutech hustot naindukovanyacutech do kontaminantu a nerezoveacuteho krytu
Obraacutezek 423 zobrazuje kontury magnetickeacuteho pole ve stejneacutem časoveacutem kroku jako obr
422 Pole ktereacute je konturami zobrazeno je tvořeno praacutevě proudovou hustotou obr 422 Je
zde možneacute pozorovat jak se pole deformuje přiacutetomnyacutem kontaminantem
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
43
Obr 423 Kontury magnetickeacuteho vektoroveacuteho potenciaacutelu s viditelnou deformaciacute pole způsobenou
feromagnetickyacutem kontaminantem
42 Vyšet řovaacuteniacute množstviacute vyza řovaneacute energie V teacuteto čaacutesti se vychaacutezelo z předpokladu že intenzita elektromagnetickeacuteho pole uvnitř
detektoru je mnohem většiacute než elektromagnetickyacute šum kteryacute do detektoru vnikaacute z okoliacute
Proto lze předpoklaacutedat že rušeniacute bude způsobeno předevšiacutem deformaciacute vlastniacuteho
vyzařovaneacuteho pole v bliacutezkeacutem okoliacute detektoru To vede ke snaze snižovat množstviacute vlastniacuteho
vyzaacuteřeneacuteho pole ven z detektoru aby nemohlo byacutet deformovaacuteno okolniacutemi předměty
421 Řešeniacute probleacutemu Bylo porovnaacuteno pět variant detektorů bez průchodu kontaminantu Každaacute varianta se
řešila jedniacutem vyacutepočtem z čehož plyne malaacute časovaacute naacuteročnost a proto byly probleacutemy řešeny
bez využitiacute symetrie Prvniacute byl staacutevajiacuteciacute detektor o tloušťce kryciacuteho nerezoveacuteho plechu 3 mm
druhyacute byl stejneacute geometrie ale za použitiacute silnějšiacuteho 5 mm tlusteacuteho nerezu Třetiacute typ měl
tloušťku 3 mm ale na horniacute a dolniacute stěně bylo přidaacuteno dalšiacute stiacuteněniacute z nerezu ve tvaru T (obr
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
44
426) Posledniacute dva naacutevrhy měly pravouacutehlyacute tvar krytu celkově menšiacutech rozměrů z nichž jeden
byl jednoduchyacute o tloušťce 3 mm (obr 427) a druhyacute měl shora a zdola dvojiteacute dno z nerezu
tloušťky 3 mm (obr_428) Touto metodou by se dalo porovnaacutevat mnohem většiacute množstviacute
provedeniacute ktereacute by se mohly lišit i použityacutem materiaacutelem Vzduchoveacute okoliacute detektoru bylo
rozděleno na čtyři sektory v nichž se sečetly hodnoty magnetickeacute energie jednotlivyacutech
elementů v každeacutem kroku analyacutezy a tiacutem se ziacuteskal průběh množstviacute energie v daneacutem prostoru
na čase Objemovaacute hustota magnetickeacute energie byla zjišťovaacutena ve všech plochaacutech daneacute
geometrie a bylo možno sledovat jak se energie v čase přemisťuje
Obr 424 Geometrie varianty 3 mm
Obr 425 Geometrie varianty 5 mm
Obr 426 Geometrie varianty 3 mm-stineni
Obr 427 Geometrie varianty novy 1
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
45
Obr 428 Geometrie varianty novy 2
Přiacuteprava skriptů se od předchoziacutech vyacutepočtů lišila pouze v geometrii jinak byla
principiaacutelně stejnaacute Rozdiacutel byl však v čaacutesti post-processingu (ziacuteskaacutevaacuteniacute vyacutesledků) Aby bylo
možno přistupovat k jednotlivyacutem sektorům musel byacutet každyacute sektor definovaacuten vlastniacutem typem
elementů (elementy byly použity stejneacute jednaacute se pouze o čiacuteslovaacuteniacute) Byly použity osmkraacutet
elementy PLANE53
ET153 Tx vinuti ET253 prostor uvnitr detektoru ET353 nerezovy obal ET453 detekcni prostor ET553 vzduchove okoli - horni ET653 vzduchove okoli - pravy ET753 vzduchove okoli - dolni ET853 vzduchove okoli - levy
Přiacuteklad načiacutetaacuteniacute vyacutesledků pro jeden typ elementů
POST1 prepnutiacute do postprocesoru allsel oznaceni vsech elementu vytvoreni pole pro ukadani hodnot DIMenergie1TABLEkroku11timeE zapsani nulovych hodnot na zacatek vektoru vysledku energie1(00)=0 energie1(01)=0 cyklus ve kterem se nacitaji vysledky jednotlivych kroku simulace doi1kroku1 APPEND 1 i nacteni daneho kroku eseltype1 vybrani elementu typu 1 GET e_count1 ELEM count vraci mnozstvi elementu daneho typu GET e_next ELEM 0 NXTH vraci nejnizsi adresu elementu daneho typu v promenne e_next energ1=0 vynulovani promenne cyklus ktery postupne prochazi vsechy elementy daneho typu doj1e_count11 GET e_energ1 ELEM e_next SENE ulozi do promene e_energ1 mnozstvi energie v elementu s adresou e_next
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
46
GET e_next ELEM e_next NXTH posune adresu elementu o jedna energ1=energ1+e_energ1 pricte mnozstvi energie e_energ1 do kumulativni promnenne energ1 enddo konec vnitrniho cyklu energie1(i0)=i zapise do pole vysledku cislu jirju simulace energie1(i1)=energ1 zapise do pole vysledku mnozstvi energie v cele plose s elementy daneho typu enddo konec vnejsiho cyklu zapis_energ zavolani makra pro zapis vysledku do souboru
422 Hodnoceniacute vyacutesledk ů V jednotlivyacutech sektorech se provedla suma magnetickeacute energie pro každyacute krok
simulace Vyacutesledkem jsou průběhy množstviacute energie v daneacute ploše v zaacutevislosti na krociacutech
simulace (čase) Jednotliveacute varianty byly hodnoceny na zaacutekladě porovnaacuteniacute průběhů se
staacutevajiacuteciacutem detektorem
Energie v Tx vinutiacute
000E+00
100E-03
200E-03
300E-03
400E-03
500E-03
600E-03
700E-03
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 429 Energie v Tx vinutiacute
Na grafu (obr 429) je vidět že množstviacute energie v Tx vinutiacute neniacute zaacutevisleacute na geometrii a je
daacuteno budiacuteciacutem signaacutelem v Tx vinutiacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
47
Energie unit ř detektoru
000E+00
200E-02
400E-02
600E-02
800E-02
100E-01
120E-01
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 430 Energie uvnitř detektoru
Na obr 430 je znaacutezorněno množstviacute energie v prostoru detektoru do ktereacuteho neniacute
započiacutetaacutena detekčniacute oblast ta je zobrazena na obr 432 V teacuteto čaacutesti neniacute pozorovaacutena žaacutednaacute
vyacuteraznaacute změna
Energie v nerezoveacutem obalu
000E+00
500E-05
100E-04
150E-04
200E-04
250E-04
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 431 Energie v nerezoveacutem obalu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
48
Vyacuteraznějšiacute změny se odehraacutevajiacute v nerezoveacutem obalu Nejmenšiacute množstviacute energie je v klasickeacute
3 mm tlusteacute a v 5 mm tlusteacute variantě U klasickeacute varianty se stiacuteněniacutem a u novyacutech naacutevrhů je
naacuterůst způsoben přibliacuteženiacutem nerezu k Tx vinutiacute
Energie v prostoru detek čniacuteho otvoru
000E+00
500E-03
100E-02
150E-02
200E-02
250E-02
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 432 Energie v prostoru detekčniacuteho otvoru
V oblasti detekčniacuteho otvoru je snaha o uchovaacuteniacute co největšiacuteho množstviacute energie neboť
zmenšeniacute energie vede ke sniacuteženiacute odezvy na kontaminant tedy ke sniacuteženiacute citlivosti detektoru
Z obr 432 je patrneacute že geometrickeacute uacutepravy detektoru (3 mm se stiacuteněniacutem novy 1 a novy 2)
vedou ke sniacuteženiacute množstviacute energie v tomto prostoru
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
49
Energie v horniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
100E-07
200E-07
300E-07
400E-07
500E-07
600E-07
700E-07
800E-07
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 433 Energie v horniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Energie v dolniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
100E-07
200E-07
300E-07
400E-07
500E-07
600E-07
700E-07
800E-07
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 434 Energie v dolniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Porovnajiacute-li se obr 433 a 434 je u variant 1 - 3 možneacute pozorovat rozdiacutely mezi horniacute a dolniacute
plochou Je zde na prvniacute pohled vidět jak horniacute oblouk snižuje množstviacute energie unikajiacuteciacute do
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
50
okoliacute Jako uacutečinneacute se z pohledu těchto sektorů jeviacute varianta klasickeacuteho detektoru se stiacuteněniacutem a
novyacute naacutevrh s dvojityacutemi stěnami
Energie v praveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
500E-06
100E-05
150E-05
200E-05
250E-05
300E-05
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 435 Energie v praveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Energie v leveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
500E-06
100E-05
150E-05
200E-05
250E-05
300E-05
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 436 Energie v leveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
51
Pravyacute a levyacute sektor je z důvodů symetrie stejnyacute na obrazciacutech 435 a 436 lze pozorovat tzv
metal free zoacutenu kteraacute se u detektorů udaacutevaacute Jednaacute se o prostor před a za detekčniacutem otvorem
ve ktereacutem se nesmiacute nachaacutezet žaacutednyacute kovovyacute materiaacutel (z důvodu ovlivňovaacuteniacute pole) snahou je
tuto zoacutenu co nejviacutece zmenšit Z grafů je patrneacute že novyacute naacutevrh s dvojityacutemi stěnami vykazuje
nejmenšiacute množstviacute energie v teacuteto oblasti Naopak u klasickeacute varianty se stiacuteněniacutem došlo k
vytlačeniacute pole z vnitřku detektoru praacutevě do těchto okolniacutech zoacuten
Na zaacutekladě těchto poznatků bude provedeno ověřeniacute na skutečnyacutech zařiacutezeniacutech Mezi
použitelneacute varianty připadaacute klasickaacute konstrukce doplněnaacute o stiacuteněniacute a novyacute naacutevrh s dvojityacutemi
stěnami U toho je však velkaacute hrozba sniacuteženiacute citlivosti způsobeneacute menšiacutem množstviacutem energie
v detekčniacutem prostoru
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
52
5 Zaacutevěr Ciacutelem předklaacutedaneacute praacutece je zlepšeniacute činnosti detektorů kovů přiacutepadně uacuteprava
technologie vyacuteroby při současneacutem sniacuteženiacute vyacuterobniacutech naacutekladů Předpokladem uacutespěšnyacutech
naacutevrhů byla podrobnaacute studie činnosti a principu těchto zařiacutezeniacute kteraacute jsou vyacuterobcem po
několik let uacutespěšně prodaacutevaacutena na světovyacutech trziacutech
Na zaacutekladě těchto požadavků byly provedeny některeacute testy ktereacute měly ověřit
předpoklaacutedanaacute zlepšeniacute Nejširšiacute možnosti přinaacutešiacute modelovaacuteniacute magnetickeacuteho pole
průmyslovyacutech detektorů počiacutetačovou simulaciacute kteraacute je zatiacutem schopna řešit zadaneacute probleacutemy
v dvourozměrneacutem prostoru Nejčastěji řešeneacute probleacutemy jsou staacutele spojeny se zaacutekladniacutem
principem činnosti těchto zařiacutezeniacute tj vlivem a působeniacutem kontaminantu na
elektromagnetickeacute pole buzeneacute ciacutevkami uvnitř detektoru a nepřiacuteznivyacute vliv vnějšiacutech rušivyacutech
poliacute např při současneacute činnosti sousedniacutech detektorů Dalšiacutem zdrojem rušivyacutech magnetickyacutech
poliacute může byacutet i činnost a přiacutetomnost různyacutech elektrickyacutech zařiacutezeniacute probleacutem spojenyacute s
vhodnyacutem materiaacutelem a tvarem stiacuteněniacute těchto zařiacutezeniacute
Vzhledem k maximaacutelniacute citlivosti elektronickyacutech obvodů a požadovaneacute pečlivosti při
balancovaacuteniacute (vyvažovaacuteniacute) se vyskytuje probleacutem kteryacute souvisiacute se staacutelostiacute nastaveniacute detektoru
při mechanickeacutem otřesu přiacutepadně odstraněniacute změn ke kteryacutem dochaacuteziacute vlivem dopravy
Dalšiacutem plaacutenovanyacutem krokem je namodelovaacuteniacute probleacutemu v trojrozměrneacutem prostoru od
ktereacuteho je očekaacutevaacuteno zohledněniacute dalšiacutech vlivů a tiacutem zpřesněniacute samotneacuteho vyacutesledku
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
53
6 Použitaacute literatura [1] Internetoveacute straacutenky společnosti Loma Systems sro
httpwwwlomacom_czindexshtml
[2] Haacutejek J Jarchovskyacute Z Detektory kovů - naacutevod na stavbu nakladatelstviacute BEN Praha
2010
[3] Beneda L Detektory kovů bakalaacuteřskaacute praacutece ZČU Plzeň 2010
[4] Internetoveacute straacutenky společnosti Ad controls sro
httpwwwadcontrolsczdetektory_kovu_zakladni_pojmy
[5] KOVOHUTĚ ROKYCANY as COMTES FHT as MATEX sro Průběžnaacute
zpraacuteva k projektu FeNi - čj 1021207 - 32 za rok (2007 - 2009)
[6] Ansys Inc ANSYS HELP Release 130 Dokumentace k programu
[7] Karban P a kolektiv autorů Aplikace teoretickeacute elektrotechniky Skripta ZČU Plzeň
2011
[8] Benešovaacute Z Ulrych B Přiacuteručka pro použitiacute programů ve vyacuteuce teorie
elektromagnetickeacuteho pole Skripta ZČU Plzeň 1997
[9] Loma Systems sro Knowledge Base - Interniacute dokumentace společnosti
[10] Internetoveacute straacutenky společnosti Aerospace specification metals Inc
httpasmmatwebcomsearchSpecificMaterialaspbassnum=MQ304A
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
1
7 Přiacutelohy
71 Tvorba geometrie PREP7 prepnuti do rezimu preprocesingu jj=8 index polohy kontaminantu r1=05e-3 polomer Tx vodice 05 mm r2=15e-3 polomer kontaminantu 15 mm c=90e-3 sirka Rx civek h=1767e-3 vzdalenost mezi Tx vinutim hrx=(h2)+526e-3 zakladni vyskova poloha mezi Rx civkami hss=175e-3 vyska nerezoveho krytu wss=150e-3 sirka nerezoveho krytu tss=3e-3 tloustka nerezove steny hd=h-227e-3 vyska detekcniho otvoru wok=1000e-3 sirka vzduchoveho okoli hok=1000e-3 vyska vzduchoveho okoli wkon=(-250e-3)+(jj20e-3) poloha kontaminantu na ose X tvorba geometrickych bodu nerezoveho krytu K1022589e-30 K2022185e-30 K3-7907e-321208e-30 K4-78e-32085e-30 K57907e-321208e-30 K678e-32085e-30 K7-wsshss0 K8-wss+tsshss-tss0 K9wsshss0 K10wss-tsshss-tss0 K11-wss-hss0 K12-wss+tss-hss+tss0 K13wss-hss0 K14wss-tss-hss+tss0 vytvoreni ploch definovanymi body FLST273 FITEM27 FITEM23 FITEM21 FITEM25 FITEM29 FITEM213 FITEM211 AP51X FLST273 FITEM28 FITEM24 FITEM22 FITEM26 FITEM210 FITEM214 FITEM212 AP51X CYL40h2r1 plocha horniho Tx vodice CYL40-h2r1 ploch dolniho Tx vodice BLC50((h2)+hrx)2100e-310e-3 plocha horniho vzduchoveho okoli Tx vodice BLC50-((h2)+hrx)2100e-310e-3 plocha dolniho vzduchoveho okoli Tx vodice BLC5002wsshd plocha detekcniho ootvoru APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch odstraneni ploch ktere budou sjednoceny se vzduchovym okolim
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
2
FLST255ORDE4 FITEM210 FITEM2-12 FITEM215 FITEM218 ADELEP51X BLC500wokhok vytvoreni plochy vzduchoveho okoli APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch CYL4wkon0r2 vytvoreni plochy kontaminantu APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch konec tvorby geometrickeho modelu
72 Definice element ů materiaacutel ů a jejich p řiřazeniacute k plochaacutem definovani materialu MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX11 material 1 Tx permeabilita 1 MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX21 material 2 Air permeabilita 1 MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX31008 material 3 nerezovy kryt SS ANSI 304 permeabilita MPTEMP MPTEMP10 MPDATARSVX372e-7 material 3 nerezoovy kryt SS Ansi 304 rezistivita MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX4400 material 4 Kontaminant permeabilita MPTEMP MPTEMP10 MPDATARSVX4102e-7 material 4 Kontaminant rezistivita definovani elementu ET153 Tx civky ET253 Vzduch ET353 nerezovy kryt ET453 kontaminant nastaveni elementu KEYOPT110 Tx civky KEYOPT120 KEYOPT130 KEYOPT140 KEYOPT150 KEYOPT170 KEYOPT210 Air KEYOPT220 KEYOPT230 KEYOPT240 KEYOPT250 KEYOPT270 KEYOPT310 SS KEYOPT320 KEYOPT330 KEYOPT340 KEYOPT350
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
3
KEYOPT370 KEYOPT410 kontaminant KEYOPT420 KEYOPT430 KEYOPT440 KEYOPT450 KEYOPT470 prirazeni elementu a materialum k plocham FLST525ORDE2 Tx FITEM58 FITEM5-9 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 1 1 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 FLST535ORDE3 Air FITEM53 FITEM516 FITEM5-17 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 2 2 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 FLST525ORDE2 SS FITEM513 FITEM5-14 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 3 3 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 CM_YAREA kontaminant ASEL 1 CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 4 4 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
4
73 Siacuteťovaacuteniacute oblastiacute FLST275ORDE7 FITEM21 FITEM28 FITEM2-9 FITEM213 FITEM2-14 FITEM216 FITEM2-17 AESIZEP51X00005 nastaveni delky steny elementu 00005 m FLST215ORDE1 FITEM23 AESIZEP51X001 nastaveni delky steny elementu 001 m MSHAPE12D nastaveni 2D trojuhelnikove site MSHKEY0 FLST585ORDE8 FITEM51 FITEM53 FITEM58 FITEM5-9 FITEM513 FITEM5-14 FITEM516 FITEM5-17 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CHKMSHAREA CMSELS_Y AMESH_Y1 spusteni automatickeho sitovani CMDELE_Y CMDELE_Y1 CMDELE_Y2
74 Okrajovaacute podmiacutenka a nastaveniacute budiciacuteho pr ůběhu okrajova podminka FLST244ORDE4 FITEM214 FITEM212 FITEM27 FITEM25 DLP51X AZ0 nastaveni zatizeni parametry budici proudove hustoty f=35e3 frekvence signalu [Hz] part=600 pocet kroku signalu T_min=0 pocatek casove osy T_max=1f konec casove osy dt=T_maxpart casovy krok parametry prudove hustoty pi=4atan(1) s=pir12 I=600sqrt(2) N1=1 J1_a=IN1s definovani vzestupne casti pulsu tau=3 DIMJexTABLE5011timeJ Jex(11)=0
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
5
Jex(10)=0 doi2501 Jex(i1)=(J1_a)(1-exp(-itau)) Jex(i0)=(i) enddo definovani sestupne casti pulsu tau=3 DIMJex1TABLE5011timeJ Jex1(11)=J1_a Jex1(10)=0 doi2501 Jex1(i1)=(J1_a)(exp(-itau)) Jex1(i0)=(i) enddo sestaveni celeho pulsu DIMJex2TABLE10011timeJ Jex2(11)=0 Jex2(10)=0 doi2501 Jex2(i1)=Jex(i1) Jex2(i0)=(i) enddo doi511001 Jex2(i1)=Jex1(i-501) Jex2(i0)=(i) enddo priprava nulovych vektoru kladneho a zaporneho prubehu J DIMJ1TABLE60011timeJ DIMmJ1TABLE60011timeJ doi16001 J1(i0)=(i-1)dt time J1(i1)=0 J mJ1(i0)=(i-1)dt time mJ1(i1)=0 -J enddo vlozeni prvniho pulsu doi11001 J1(i1)=Jex2(i1) mJ1(i1)=-Jex2(i1) enddo vlozeni druheho pulsu doi3004001 J1(i1)=-Jex2(i-3001) mJ1(i1)=Jex2(i-3001) enddo prirazeni prubehu k plocham PREP7 FLST215ORDE1 FITEM28 BFAP51XJSJ1 FLST215ORDE1 FITEM29 BFAP51XJSmJ1
75 Nastaveniacute analyacutezy SOL prepnuti do Solution modu - nastaveni analyzy kroku=300 pocet kroku simulace ANTYPE4 TRNOPTFULL
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
6
NSUBSTkroku00 OUTRESERASE OUTRESALL1 TIMET_max solve spusti vypocet ulohy
76 Postprocessing POST1 prepne do Preprocesing modu krokyb=200 pocet kroku na delku coilgapu L=03 delka Rx snimace hrx1=(h2)+10e-3 jednotlive vyskove pozice Rx vinuti hrx2=(h2)+526e-3 hrx3=(h2) hrx4=((h2)-526e-3) hrx5=((h2)-10e-3) vytvoreni pole hodnot - 10 sloupcu x 300 radku sloupce odpovidaji poctu jednotlivych civek 2x5 (5 poloh horni a dolni civka) DIMTOKTABLEkroku101SUBSTEP TOK(00)=0 TOK(01)=0 TOK(02)=0 TOK(03)=0 TOK(04)=0 TOK(05)=0 TOK(06)=0 TOK(07)=0 TOK(08)=0 TOK(09)=0 TOK(010)=0 dok1kroku1 hlavni cyklus pocet cyklu odpovida poctu kroku analyzy APPEND 1 k nacteni k-teho kroku analyzy tato cast kodu je nutna pro kazdou civku zvlast (10x se opakuje) PATHHORNI26krokyb-1 definovani cesty horni civky PPATH10-c2hrx10 levy koncovy bod PPATH20c2hrx10 pravy koncovy bod PDEF BYAVG namapovani Y-slozky magneticke indukce B PCALCINTGINT_HORBYXGL vypocet integralu z By podle dX PBCPATH 0 PAGETHORNI1_TABL ulozeni hodnot ziskanych na definovane ceste do pole HORNI1_ PADELALL smazani cesty i s hodnotamy (pole HORNI1_ zustava) konec opakujici se casti prirazovani posledni hodnoty integralu do prislusneho pole vysledku TOK(k0)=k casova osa TOK(k1)=HORNI1_(krokyb6) TOK(k2)=DOLNI1_(krokyb6) TOK(k3)=HORNI2_(krokyb6) TOK(k4)=DOLNI2_(krokyb6) TOK(k5)=HORNI3_(krokyb6) TOK(k6)=DOLNI3_(krokyb6) TOK(k7)=HORNI4_(krokyb6) TOK(k8)=DOLNI4_(krokyb6) TOK(k9)=HORNI5_(krokyb6) TOK(k10)=DOLNI5_(krokyb6) DELPRM_ smaze vsechny pole vysledku koncici znakem _ enddo konec cyklu zapis_tok odkaz na skript pro zapsani pole vysledku do souboru txt
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
7
77 Makro Vyacutepis makra ktereacute uklaacutedaacute hodnoty do souboru tok_fitxt
MWRITETOK(111)tok_fitxt vytvori soubor tok_fitxt a ulozi do
nej matici vysletku TOK
(10E135) urcuje format zapisu hodnot - 10
sloupcu cisel o celkove delce 13ti
znaku z toho 5 za desetinou teckou
CFCLOS uzavre soubor
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
8
Eviden čniacute list
Souhlasiacutem s tiacutem aby moje bakalaacuteřskaacute praacutece byla půjčovaacutena k prezenčniacutemu studiu v
Univerzitniacute knihově ZČU v Plzni
Datum Podpis
Uživatel stvrzuje svyacutem čitelnyacutem podpisem že tuto bakalaacuteřskou praacuteci použil ke studijniacutem
uacutečelům a prohlašuje že ji uvede mezi použityacutemi prameny
Jmeacuteno Fakultakatedra Datum Podpis
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
Poděkovaacuteniacute
Tiacutemto bych raacuted poděkoval vedouciacutemu bakalaacuteřskeacute praacutece doc Ing Vlastimilu Beranovi CSc
za cenneacute rady připomiacutenky a metodickeacute vedeniacute praacutece daacutele panu Ing Vladimiacuteru Kindlovi
PhD a Ing Jindřichu Kňourkovi za pomoc s programem Ansys společnosti Loma Systems
sro za poskytnutiacute materiaacutelů jejich zařiacutezeniacute a celkoveacuteho zaacutezemiacute pro řešeniacute teacuteto praacutece a v
neposledniacute řadě bych chtěl velmi ocenit přiacutestup k vyacutepočetniacutem kapacitaacutem MetaCentra
poskytovanyacutech v raacutemci programu Projekty velkyacutech infrastruktur pro vyacutezkum vyacutevoj a
inovace LM2010005 financovaacuten Ministerstvem školstviacute mlaacutedeže a tělovyacutechovy Českeacute
republiky
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
8
Obsah SEZNAM SYMBOL Ů 9
UacuteVOD 10
1 ZAacuteKLADNIacute FYZIKAacuteLNIacute PRINCIPY DETEKTOR Ů KOVU11
2 PRINCIPY AKTIVNIacuteCH ELEKTROMAGNETICKYacuteCH DETEKTOR Ů KOVU 12
21 PRINCIP BALANČNIacuteCH DETEKTORŮ12
3 ZAŘIacuteZENIacute SPOLEČNOSTI LOMA SYSTEMS SRO 16
31 OBECNEacute INFORMACE17 32 VYSIacuteLACIacute ČAacuteST - TX 17 33 PŘIJIacuteMACIacute ČAacuteST - RX 21 34 PRINCIP VYHODNOCOVAacuteNIacute22 35 VYVAŽOVAacuteNIacute DETEKTORU 23 36 VYacuteSTUPNIacute KONTROLA 25
4 OPTIMALIZACE A STIacuteN ĚNIacute DETEKTORU 27
41 VYŠETŘOVAacuteNIacute VLIVU POZICE RX VINUTIacute 28 411 Preprocessing - přiacuteprava skriptu 29 412 Postprocessing - ziacuteskaacutevaacuteniacute vyacutesledků 31 413 Hodnoceniacute vyacutesledků 33
42 VYŠETŘOVAacuteNIacute MNOŽSTVIacute VYZAŘOVANEacute ENERGIE43 421 Řešeniacute probleacutemu43 422 Hodnoceniacute vyacutesledků 46
5 ZAacuteVĚR 52
6 POUŽITAacute LITERATURA53
7 PŘIacuteLOHY1
71 TVORBA GEOMETRIE1 72 DEFINICE ELEMENTŮ MATERIAacuteLŮ A JEJICH PŘIŘAZENIacute K PLOCHAacuteM 2 73 SIacuteŤOVAacuteNIacute OBLASTIacute 4 74 OKRAJOVAacute PODMIacuteNKA A NASTAVENIacute BUDICIacuteHO PRŮBĚHU 4 75 NASTAVENIacute ANALYacuteZY 5 76 POSTPROCESSING6 77 MAKRO 7
EVIDENČNIacute LIST 8
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
9
Seznam symbol ů DK (-)helliphelliphelliphelliphellip detektor kovů
f (Hz)helliphelliphelliphellip frekvence
ω (s-1)helliphelliphelliphelliphellip uacutehlovaacute rychlost (frekvence)
ρ (Ωm)helliphelliphelliphellip měrnyacute odpor
micro0 (Hm-1)helliphelliphellip permeabilita vakua (4π10-7)
micror (-)helliphelliphelliphelliphellip poměrnaacute permeabilita
TRhelliphelliphelliphelliphelliphellip transformaacutetor
C (F)helliphelliphelliphelliphellip kapacita
Txhelliphelliphelliphelliphelliphellip transmitter - vysiacutelač
Rxhelliphelliphelliphelliphelliphellip receiver - přijiacutemač
SShelliphelliphelliphelliphellip stainless steel - nerezovaacute ocel
IQ2helliphelliphelliphelliphellip model detektoru společnosti Loma Systems sro
IQ3helliphelliphelliphelliphellip novějšiacute model detektoru společnosti Loma Systems sro
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
10
Uacutevod Po zveřejněniacute bakalaacuteřskeacute praacutece Detektory kovů projevila společnost Loma Systems
sro zaacutejem o spolupraacuteci v oblasti vyacuteroby a vyacutevoje průmyslovyacutech detektorů kovu
Společnosti Loma a Cintex byly založeny před 30 lety a jsou předniacutemi světovyacutemi
producenty v oblasti potravinovyacutech farmaceutickyacutech a textilniacutech kontrolniacutech systeacutemů ndash
detektorů kovu rentgenoveacute kontroly a zařiacutezeniacute kontrolniacuteho vaacuteženiacute Sveacute prestižniacute postaveniacute
ziacuteskaly diacuteky sveacute trvaleacute kvalitě a pokročilyacutem technologiiacutem což je vyacutesledkem neustaacuteleacuteho a
rozsaacutehleacuteho vyacutezkumneacuteho a vyacutevojoveacuteho programu
Hlavniacute siacutedlo je ve Farnborough ve Velkeacute Britaacutenii Vyacutezkumnaacute a vyacutevojovaacute centra jsou
jak ve Velkeacute Britaacutenii tak v Chicagu ve Spojenyacutech staacutetech a nyniacute se zřizuje i zde v Českeacute
republice Většina vyacuteroby je ve Velkeacute Britaacutenii a Chicagu nyniacute se postupně přesouvaacute do nově
zřiacutezeneacute provozovny v Českeacute republice (Dobřany) Společnost maacute takeacute přiacutemeacute prodejniacute a
servisniacute zastoupeniacute ve Francii Německu Nizozemiacute Čiacuteně Kanadě a USA Mimo tyto oblasti
těsně spolupracuje s distributory a podiacuteliacute se vyacuterobou a dodaacutevkami součaacutestek pro vyacuterobce ve
viacutece než 35 zemiacutech po celeacutem světě aby zajistila že se zaacutekazniacutekům dostaacutevaacute plneacuteho servisu a
podpory ať už se nachaacutezejiacute kdekoliv [1]
Ciacutelem společnosti je vytvořeniacute kolektivu pracovniacuteků v ČR kteřiacute se již v teorii detekce
kovů orientujiacute a jsou schopni pracovat na probleacutemech a slabyacutech straacutenkaacutech vyacuteroby a podiacutelet se
na vyacutevoji novyacutech detektorů Po dohodě byl vymezen okruh probleacutemů ve kteryacutech by bylo
vhodneacute proveacutest určitaacute zlepšeniacute jak po straacutence technickeacute tak technologickeacute s ohledem na
ekonomickeacute uacutespory a zlepšeniacute vyacuterobniacuteho procesu
V teacuteto praacuteci je uveden popis principu staacutevajiacuteciacuteho zařiacutezeniacute společnosti Loma Systems
sro postup vyšetřovaacuteniacute magnetickeacuteho pole tohoto zařiacutezeniacute a naacutevrh optimalizace z pohledu
zlepšeniacute kvality detekce a stiacuteněniacute elektromagnetickeacuteho pole
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
11
1 Zaacutekladniacute fyzikaacutelniacute principy detektor ů kovu Principy detektorů kovů jsou založeny na využiacutevaacuteniacute specifickyacutech vlastnostiacute kovů
Kovy se od okolniacutech materiaacutelů lišiacute hlavně
bull měrnyacutem elektrickyacutem odporem
bull magnetickyacutemi vlastnostmi
Většina hledanyacutech objektů je energeticky pasivniacute proto je pro jejich detekci potřeba
energii dodaacutevat Dodaacutevanaacute energie je většinou vyzařovaacutena detektorem čaacutestiacute kteraacute maacute funkci
vysiacutelače Vysiacutelanaacute energie může byacutet akustickaacute na tomto principu funguje sonar nebo
elektromagnetickaacute což je princip většiny detektorů od radarů přes průmysloveacute detektory až k
tzv minohledačkaacutem Zde se využiacutevaacute vyacuteše jmenovanyacutech odlišnostiacute ktereacute majiacute vliv na
pohlcenou odraacuteženou a zbytkovou energii kteraacute je detekovanyacutem objektem vyzařovaacutena zpět
nebo jinyacutem způsobem deformuje elektromagnetickeacute pole Množstviacute pohlceneacute energie je daacuteno
matematickyacutem vyacuterazem (11) kteryacute určuje tzv hloubku vniku δ ve ktereacute se přivedenaacute energie
vlivem viacuteřivyacutech proudů sniacutežiacute na polovinu
( )mmicroωρδ
sdotsdot= 2
(11)
kde micro = micro0 micror
Vyacuteraz (11) je třeba uvažovat při řešeniacute energie pohlceneacute nebo odraacuteženeacute z hlediska volby
frekvence vysiacutelaneacute energie neboť
( )12 minussdotsdot= sfπω (12)
Druhou skupinu tvořiacute objekty ktereacute do sveacuteho okoliacute nějakou formou energii vyzařujiacute
Vyzařovanaacute energie může byacutet
bull akustickaacute (lokalizovaacuteniacute polohy ponorek)
bull elektromagnetickaacute (vyzařovaacuteniacute většiny elektrickyacutech zařiacutezeniacute točivyacutech i netočivyacutech
lokalizovaacuteniacute letadel ndash systeacutem TAMARA)
bull tepelnaacute (termovize tepelneacute navaacuteděniacute řiacutezenyacutech střel)
bull gama zaacuteřeniacute (vyhledaacutevaacuteniacute izotopů)
Zvlaacuteštniacutem přiacutepadem je situace kdy hledanyacute objekt i detektor jsou pasivniacute a k detekci je
využiacutevaacutena změna energie z ciziacuteho zdroje Konkreacutetniacutem přiacutepadem je přiacutestroj nazyacutevanyacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
12
magnetometr kteryacute detekuje objekty na zaacutekladě změny intenzity magnetickeacuteho pole země
vyvolaneacute hledanyacutem objektem Deformaci magnetickeacuteho pole země nezpůsobujiacute pouze kovy
ale i jineacute nehomogenity jako jsou jeskyně dutiny nebo remanentniacute magnetickeacute pole [2]
2 Principy aktivniacutech elektromagnetickyacutech detektor ů kovu
Pro detekci jsou obecně využiacutevaacuteny změny sniacutemaneacute veličiny ktereacute jsou způsobeny
hledanyacutem předmětem materiaacutelem Při vyhledaacutevaacuteniacute objektů elektromagnetickyacutem polem se
využiacutevaacute dvou materiaacutelovyacutech vlastnostiacute způsobujiacuteciacute jeho deformaci Zaprveacute je to deformace
pole feromagnetickyacutem materiaacutelem (např permaloy ferit železo) jehož magnetickaacute vodivost
převyšuje vodivost elektrickou a způsobuje soustředěniacute siločar pole do objektu obr 21
Obr 21 Feromagnetickyacute objekt Obr 22 Neferomagnetickyacute objekt
Materiaacutely u kteryacutech převyšuje elektrickaacute vodivost nad magnetickou (např měď hliniacutek)
uplatňujiacute druhyacute princip a tiacutem je deformace původniacuteho pole polem sekundaacuterniacutem Sekundaacuterniacute
pole vznikaacute viacuteřivyacutemi proudy naindukovanyacutemi ve vodiveacutem předmětu vystaveneacutemu původniacutemu
poli Ze zaacutekona o zachovaacuteniacute energie plyne že sekundaacuterniacute pole působiacute proti původniacutemu
Naacutesledkem tohoto jevu dojde k obtečeniacute objektu siločarami původniacuteho vyzařovaneacuteho pole
obr 22 [3]
21 Princip balan čniacutech detektor ů Většina průmyslovyacutech detektorů kovu pracuje na balančniacutem principu podrobnyacute popis
ostatniacutech principů je uveden napřiacuteklad ve [3]
Tento princip je založen na vyvaacuteženyacutech (vybalancovanyacutech) ciacutevkaacutech (IB ndash Induction
Balance) Z toho plyne že hledaciacute sonda je složena z minimaacutelně dvou ciacutevek popřiacutepadě dvou
systeacutemů ciacutevek z nichž jeden je vysiacutelaciacute a druhyacute pracuje jako přijiacutemač (Transmitter Receiver
ndash TR) Tyto detektory byacutevajiacute označovaacuteny TR-IB V přiacutepadě dvou ciacutevek je přijiacutemaciacute ciacutevka
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
13
umiacutestěna vzhledem k vysiacutelaciacute ciacutevce tak že naindukovaneacute napětiacute při nepřiacutetomnosti kovu je
rovno nule tzv uspořaacutedaacuteniacute překryacutevanyacutech ciacutevek tvaru D Stejneacuteho efektu lze dosaacutehnou při
pozici ciacutevek vzaacutejemně pootočenyacutech o 90deg Jestliže je na straně přiacutejmu soustava dvou ciacutevek
umiacutestiacute se vzhledem k vysiacutelaciacute ciacutevce tak že v nepřiacutetomnosti kovu se do ciacutevek indukuje stejně
velkeacute napětiacute ktereacute se mezi sebou odečte Rozdiacutelu obou napětiacute na přijiacutemaciacutech ciacutevkaacutech je roven
nule (obr 23)
Obr 23 Uspořaacutedaacuteniacute systeacutemu ciacutevek Jakaacutekoliv deformace pole vysiacutelaciacute ciacutevky maacute za naacutesledek porušeniacute rovnovaacutehy a na přijiacutemaciacute
straně se objeviacute napětiacute indikujiacuteciacute přiacutetomnost kovu Indukovaneacute napětiacute v přijiacutemaciacute ciacutevce lze
matematicky popsat vztahem (21)
( )ϕω +sdotsdot= tAU sin (21)
kde A amplituda signaacutelu
ω uacutehlovaacute frekvence signaacutelu
φ faacutezovyacute posuv oproti vysiacutelaneacutemu signaacutelu
Pokud se pod ciacutevkami nachaacuteziacute elektricky vodivyacute objekt z neferomagnetickeacuteho
materiaacutelu je pole deformovaacuteno sekundaacuterniacutem polem způsobenyacutem viacuteřivyacutemi proudy ktereacute
působiacute proti poli původniacutemu Pak přijiacutemaneacute napětiacute UPN v přijiacutemaciacute ciacutevce bude miacutet maximaacutelniacute
hodnotu v okamžiku největšiacute změny vysiacutelaneacuteho napětiacute UV V přiacutepadě indikace
feromagnetickeacuteho materiaacutelu je indukovaneacute napětiacute UPF ve faacutezi s vysiacutelaciacutem napětiacutem Protože je
v praxi nemožneacute dosaacutehnout absolutniacuteho vyvaacuteženiacute ciacutevek bude v přijiacutemaciacute ciacutevce vždy nějakeacute
maleacute napětiacute Na obr 24 jsou ideaacutelniacute přijiacutemaneacute signaacutely pro různeacute druhy kontaminantů U
obecnyacutech materiaacutelů se ve skutečnosti uplatňujiacute jak feromagnetickeacute vlastnosti tak vodivostniacute
Z tohoto důvodu bude miacutet napětiacute UP indukovaneacute v přijiacutemaciacute ciacutevce faacutezovyacute posuv oproti
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
14
vysiacutelaneacutemu v intervalu
20π
[2]
Obr 24 Průběhy napětiacute UV ndash vysiacutelaneacute napětiacute UPF ndash ideaacutelniacute přijiacutemaneacute napětiacute (feromagnetickyacute materiaacutel) UPN ndash ideaacutelniacute přijiacutemaneacute napětiacute (neferomagnetickyacute materiaacutel) UP ndash skutečneacute přijiacutemaneacute napětiacute [2]
Existujiacute různeacute možnosti dociacuteleniacute nuloveacuteho klidoveacuteho přenosu mezi ciacutevkami Zaprveacute
prostorovyacutem odděleniacutem kdy osy ciacutevek mezi sebou sviacuterajiacute uacutehel 90deg vysiacutelaciacute ciacutevka je uložena
svisle a přijiacutemaciacute ciacutevka vodorovně obr 25 Tyto detektory byly nazyacutevaacuteny bdquoTwo boxldquo [2]
Obr 25 Princip prostoroveacuteho uspořaacutedaacuteniacute 90deg ciacutevek [2]
V druheacutem přiacutepadě jsou obě ciacutevky uloženy vodorovně ale jejich prostoroveacute uspořaacutedaacuteniacute se voliacute
takoveacute aby byla vzaacutejemnaacute indukčnost nulovaacute Toho je dociacuteleno tiacutem že přijiacutemaciacute ciacutevkou
U (V)
t (s)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
15
prochaacuteziacute stejneacute množstviacute siločar vysiacutelaciacute ciacutevky v jednom i druheacutem směru a tiacutem dochaacuteziacute ke
kompenzaci (vyrušeniacute) jejich uacutečinku obr 26
Obr 26 Princip prostoroveacuteho uspořaacutedaacuteniacute překryacutevajiacuteciacutech se ciacutevek [2]
Společnosti vyraacutebějiacuteciacute průmysloveacute detektory kovů majiacute většinou sveacute specifickeacute uspořaacutedaacuteniacute
ciacutevek
Obr 27 Viacutece ciacutevkoveacute uspořaacutedaacuteniacute detektoru společnosti Ad controls sro a jeho skutečneacute provedeniacute [4]
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
16
Obr 28 Třiacute ciacutevkoveacute uspořaacutedaacuteniacute detektoru společnosti Loma Systems sro
Kvalita detektoru je daacutena předevšiacutem ciacutevkovou soustavou a neměnnostiacute jejiacutech vlastnostiacute a daacutele
volbou pracovniacuteho kmitočtu Špičkou mezi dnešniacutemi detektory jsou zařiacutezeniacute umožňujiacuteciacute
činnost při různyacutech budiacuteciacutech kmitočtech Vyacutehodou těchto systeacutemů je možnost použiacutevat viacutece
zařiacutezeniacute bliacutezko u sebe a hlavně možnost použitiacute různyacutech frekvenciacute pro rozdiacutelneacute produkty s
ohledem na citlivost a kvalitu detekce
3 Zařiacutezeniacute spole čnosti Loma Systems sro Podmiacutenkou k dalšiacute vyacutevojoveacute činnosti je podrobnaacute znalost vyraacuteběnyacutech zařiacutezeniacute a
vyacuterobniacutech technologiiacute v daneacutem podniku
Obr 31 Detektor kovů IQ3 s dotykovyacutem ovlaacutedaacuteniacutem společnosti Loma Systems sro [1]
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
17
31 Obecneacute informace Jsou vyraacuteběny dva typy detektorů ktereacute pracujiacute na stejneacutem principu ale lišiacute se
vysiacutelaciacutemi průběhy budiacuteciacuteho napětiacute a možnostiacute pracovat na různyacutech kmitočtech
Staršiacute model označenyacute jako IQ2 je vyraacuteběnyacute ve třech variantaacutech jako farmaceutickyacute
detektor detektor s volnyacutem propadem produktu nebo detektor s produktem dopravovanyacutem
potrubiacutem Posledniacute dva jmenovaneacute jsou takeacute vyraacuteběny na zaacutekladě technologie IQ3 Tento
systeacutem umožňuje činnost detektoru na různyacutech budiacuteciacutech kmitočtech a je použit hlavně u
dopravniacutekovyacutech detektorů Detektor IQ2 pracuje na neměnneacute frekvenci 1 MHz
Dopravniacutekoveacute detektory jsou vyraacuteběny ve dvou variantaacutech normaacutelniacute (detekčniacute otvor
maacute stěny opatřeneacute vrstvou modreacuteho epoxidu) a detektory pro extreacutemně nepřiacutezniveacute podmiacutenky
(stěny detekčniacuteho otvoru jsou pokryty odolnyacutem plastem) ktereacute odolaacutevajiacute i vysokotlakeacutemu
vodniacutemu čištěniacute Obě varianty jsou vhodneacute i pro použitiacute v potravinaacuteřskeacutem průmyslu
Všechny detektory jsou schopny pracovat při siacuteťoveacutem napětiacute 110115200220230 V
50 nebo 60 Hz 1f 380400 V 5060 Hz 3f a majiacute stupeň krytiacute IP 69K což umožňuje uacutedržbu
vysokotlakyacutemi vodniacutemi čističi Ovlaacutedaacuteniacute a komunikace s detektorem je zajištěna LCD
displejem s tlačiacutetky nebo displejem dotykovyacutem Každyacute detektor je vybaven releacuteovyacutemi
vyacutestupy jimiž je možno ovlaacutedat chod dopravniacuteku vyřazovaciacute systeacutem signalizačniacute lampy či
klakson
Detektor jako takovyacute se sklaacutedaacute z jedneacute čaacutesti kde je jak samotnyacute detekčniacute otvor tak i
veškeraacute elektronika Detekčniacute otvor tvořiacute jaacutedro z tvrzeneacuteho papiacuteru (Tufnol) do ktereacuteho jsou
vlepeny vodiče ciacutevek Stěny detekčniacuteho otvoru jsou opatřeny modryacutem epoxidem nebo biacutelyacutem
polyethylenem (Acetal) kteryacute maacute většiacute mechanickou odolnost Celeacute zařiacutezeniacute je uzavřeno v
obalu z nerezoveacute oceli ANSI 304 (DIN 14301) tloušťky 3 mm Prostor mezi jaacutedrem a
nerezovyacutem obalem je vyplňovaacuten pěnivyacutem epoxidem
Elektronika detektoru obsahuje tři desky plošnyacutech spojů a ovlaacutedaciacute displej Hlavniacute
čaacutestiacute je řiacutediacuteciacute deska (Control board) na ktereacute se nachaacuteziacute blok napaacutejeciacuteho zdroje
vyhodnocovaciacute obvody paměti AD převodniacuteky signaacutelu a vstupniacutevyacutestupniacute obvody Dalšiacutemi
čaacutestmi jsou vysiacutelaciacute deska (Transmitter board) a deska přijiacutemače (Receiver board)
32 Vysiacutelaciacute čaacutest - Tx Postupneacute upouštěniacute od vyacuteroby zastaraleacute verze detektorů IQ2 je důvodem pro zaměřeniacute
teacuteto praacutece na detektory IQ3 Systeacutem IQ3 je multifrekvenčniacute založenyacute na balančniacutem principu
Oproti standardniacutem balančniacutem detektorům je zde vysiacutelaciacute ciacutevka buzena nespojityacutem signaacutelem
Vyacutehodou použitiacute tohoto signaacutelu je snadnaacute změna frekvence možnost řiacutezeniacute vysiacutelaciacuteho vyacutekonu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
18
a celkoveacute zvyacutešeniacute kvality detekce neboť rychlyacutem změnaacutem budiacuteciacuteho proudu odpoviacutedaacute velkaacute
změna magnetickeacuteho indukčniacuteho toku Dle Faradayova indukčniacuteho zaacutekona je velikost
indukovaneacuteho napětiacute daacutena rychlostiacute změny magnetickeacuteho indukčniacuteho toku (31)
tU i ∆
∆Φminus= (31)
Činnost Tx boardu (vysiacutelaciacute desky) je řiacutezena mikrokontrolerem kteryacute komunikuje s
Control boardem seacuteriovyacutem rozhraniacutem Deska umožňuje kontrolu napaacutejeniacute vysiacutelaciacuteho proudu
teploty a přiacutepadneacute přerušeniacute Tx vinutiacute (vysiacutelaciacute ciacutevky) Mikrokontroler řiacutediacute jak vysiacutelaciacute
průběh tak vyhodnocovaciacute obvody ktereacute jsou na Rx boardu (přijiacutemaciacute deska)
Na Tx board jsou přivaacuteděna napětiacute 12 V -12 V proti zemi použiacutevanaacute k buzeniacute Tx
vinutiacute Z kladneacuteho napětiacute se daacutele ziacuteskaacutevaacute napětiacute 33 V a 18 V pro napaacutejeniacute ostatniacutech obvodů
Budiacuteciacute signaacutel je kvůli požadovaneacutemu vysokeacutemu pulsniacutemu vyacutekonu odebiacuteraacuten z kondenzaacutetoroveacute
baterie Velikost odebiacuteraneacuteho proudu je měřena operačniacutem zesilovačem zapojenyacutem jako
převodniacutek IU
Vyacutekonovaacute čaacutest Tx boardu je tvořena čtyřmi MOSFET tranzistory řiacutezenyacutemi
mikrokontrolerem Vyacutekonoveacute tranzistory T1 až T4 jsou zapojeny dle obr 32
Obr 32 Zapojeniacute koncoveacute čaacutesti vysiacutelače
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
19
Vysiacutelaciacute ciacutevka je tvořena pouze jedniacutem zaacutevitem Cu draacutetu ϕ 1 mm jeho indukčnost a kapacita
je vzhledem k jeho vodivosti zanedbatelnaacute a při nižšiacutech frekvenciacutech se tedy chovaacute jako zkrat
Pokud je časovyacute posuv mezi U1 a U2 roven nule pak napětiacute UTX je takeacute rovno nule a Tx
ciacutevkou neteče žaacutednyacute proud obr 33
-12
-8
-4
0
4
8
12
16U1 (V)
-16
-12
-8
-4
0
4
8
12
16
000E+00 100E-05 200E-05 300E-05 400E-05 500E-05 600E-05
čas (s)
U2 (V)
Obr 331 Průběhy signaacutelů U1 a U2 přivaacuteděnyacutech na vyacutevody Tx vinutiacute V detektoru by se dala naměřit pouze elektrickaacute složka pole odpoviacutedajiacuteciacute původniacutemu signaacutelu
Pro detekci kovu je však důležiteacute elektromagnetickeacute pole kteraacute vznikaacute průchodem proudu
vinutiacutem Proudoveacuteho impulsu je dosaženo časovyacutem posunem mezi napětiacutemi U1 a U2
přivaacuteděnyacutemi na svorky Tx vinutiacute V tomto přiacutepadě potečou zkratoveacute proudoveacute pulsy
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
20
odpoviacutedajiacuteciacute připojeneacutemu napětiacute UTX viz obr 34 Vyacutekon detektoru je tedy řiacutezen časovyacutem
posunem mezi průběhy napětiacute U1 a U2 Tomuto časoveacutemu posuvu pak odpoviacutedaacute i velikost
odebiacuteraneacuteho proudu do Tx vinutiacute
-12
-8
-4
0
4
8
12
16U1 (V)
-12
-8
-4
0
4
8
12
16U2 (V)
000E+00 100E-05 200E-05 300E-05 400E-05 500E-05 600E-05
Čas (s)
I (A)
Obr 34 Časově posunutaacute napětiacute U1 U2 přivaacuteděnaacute na vyacutevody Tx vinutiacute a průběh proudu I v Tx vinutiacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
21
33 Přijiacutemaciacute čaacutest - Rx Zaacutekladem přijiacutemaciacute čaacutesti je soustava složenaacute ze dvou paralelně spojenyacutech Rx ciacutevek
podle obr 35 každaacute se dvěma zaacutevity U tohoto uspořaacutedaacuteniacute hraje důležitou roli smysl vinutiacute
Rx ciacutevek (označeniacute počaacutetku a konce vinutiacute) a jejich přesnaacute poloha Tx musiacute prochaacutezet přesně
v jedneacute polovině vzdaacutelenosti l
Obr 35 Geometrickeacute uspořaacutedaacuteniacute je voleno tak že pokud neprochaacuteziacute detektorem kontaminant napětiacute
indukovaneacute napaacutejenou ciacutevkou Tx do Rx ciacutevek je minimaacutelniacute
Jak bylo řečeno v kapitole 32 pro detekci kovu je podstatneacute elektromagnetickeacute pole
Elektrickeacute pole je odstraněno na primaacuterniacutem vinutiacute vstupniacuteho transformaacutetoru TR s dvojityacutem
primaacuterniacutem vinutiacutem zapojenyacutem proti sobě v poměru k sekundaacuterniacutemu vinutiacute 1+130 umiacutestěnyacutem
na Rx boardu Na obraacutezku 36 je zapojeniacute vstupniacuteho obvodu Rx boardu Elektrickaacute složka
pole maacute vůči zemi na obou vyacutevodech Rx ciacutevek stejnyacute průběh Primaacuterniacute vinutiacute TR maacute
vyvedenyacute střed na zem čiacutemž se elektrickaacute složka pole uzemniacute (teče proud) Protože jsou
Rx1 ciacutevka
Rx2 ciacutevka
Tx ciacutevka
l
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
22
průběhy na obou vyacutevodech stejneacute magnetickeacute toky v TR vyvolaneacute proudem působiacute proti sobě
a na sekundaacuterniacute vinutiacute se neindukuje žaacutedneacute napětiacute Dojde-li k narušeniacute magnetickeacuteho pole
uvnitř detekčniacuteho prostoru vznikaacute rozdiacutel naindukovaneacuteho napětiacute v leveacutem a praveacutem vodiči Rx
ciacutevky Tento rozdiacutel napětiacute maacute za naacutesledek tok proudu kteryacute se uzaviacuteraacute přes primaacuterniacute vinutiacute
TR1 a indukuje napětiacute na sekundaacuterniacute straně Toto napětiacute je daacutele zpracovaacutevaacuteno
Obr 36 Vstupniacute obvod Rx boardu
34 Princip vyhodnocovaacuteniacute Signaacutel na sekundaacuterniacutem vinutiacute transformaacutetoru TR je zpracovaacutevaacuten blokem obvodů pro
uacutepravu signaacutelu Ten obsahuje aktivniacute filtr a integračniacute člen s niacutezko-šumovyacutem operačniacutem
zesilovačem Za integračniacutem členem je měřiciacute bod kteryacute je využit při oživovaacuteniacute detektorů
Napětiacute Ub (balance signal) v tomto bodě se zobrazuje na osciloskopu a jeho maximaacutelniacute
hodnota by neměla přesaacutehnout 6 V špička - špička Čiacutem je rozkmit toho napětiacute nižšiacute tiacutem lze
dosaacutehnout vyššiacute citlivosti detektoru (kap 35 Vyvažovaacuteniacute detektoru) Nuloveacuteho rozkmitu
nelze dosaacutehnout mimo jineacute kvůli vyacuterobniacutem toleranciacutem zařiacutezeniacute a nehomogenitaacutem Citlivost
elektronickyacutech čaacutestiacute je velmi vysokaacute a uplatňujiacute se rušiveacute vlivy při jejich činnosti (vliv
teploty mechanickeacute chvěniacute) Napětiacute Ub odpoviacutedaacute vyrovnaacutevaciacutemu proudu v Rx ciacutevkaacutech
Přiacuteklad jeho průběhu bez kontaminantu je na obr 37
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
23
Obr 37 Přiacuteklad průběhu napětiacute Ub
Napětiacute Ub je přivaacuteděno na dva samostatneacute elektronickeacute obvody (řiacutezeneacute usměrňovače)
ovlaacutedaneacute řiacutediacuteciacutemi napětiacutemi z mikrokontroleru (na Tx boardu) Dvě řiacutediacuteciacute napětiacute jednoho
usměrňovače jsou vůči sobě o π posunuty a zaacuteroveň jsou posunuty o π2 proti dvěma řiacutediacuteciacutem
napětiacutem druheacuteho usměrňovače Vyacutesledkem jsou dva napěťoveacute signaacutely (P a Q) ktereacute jsou daacutele
zpracovaacutevaacuteny (integrace zesiacuteleniacute) s možnostiacute ručniacute volby zesiacuteleniacute ve čtyřech stupniacutech
(ovlaacutedaacuteniacute citlivosti detektoru) Tyto signaacutely jsou již nositelem informace a jsou na Control
boardu převedeny do digitaacutelniacute podoby Takto upraveneacute signaacutely jsou vyhodnocovaacuteny
algoritmy v hlavniacutem mikrokontroleru
35 Vyvažovaacuteniacute detektoru Zaacutekladem kvalitniacute a stabilniacute detekce je ciacutevkovyacute systeacutem Aby se dosaacutehlo co nejlepšiacuteho
vyvaacuteženiacute ciacutevek je nutnaacute přesnaacute bytelnaacute a rozměrově staacutelaacute konstrukce Detektory společnosti
Loma Systems sro majiacute ciacutevky uloženeacute ve vyfreacutezovanyacutech draacutežkaacutech a zajištěneacute epoxidovyacutem
lepidlem I přes to je detektor po osazeniacute elektronikou značně nevyvaacuteženyacute balančniacute napětiacute Ub
překračuje požadovanou hodnotu 6 V špička - špička natolik že může dojiacutet i k saturaci
elektronickyacutech obvodů Je tedy nutneacute ciacutevkovyacute systeacutem vyvaacutežit (vybalancovat)
Nejprve se provede hrubeacute laděniacute spočiacutevajiacuteciacute v tvarovaacuteniacute maleacute smyčky Tx vinutiacute v čele
detektoru obr 38
0 T2 T
25 V Ub
-25 V
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
24
Obr 38 Vyvažovaciacute očko na Tx vinutiacute a vlepenyacute pliacutešek uvnitř detekčniacuteho otvoru
Tato smyčka plniacute funkci kompenzačniacuteho vinutiacute po natvarovaacuteniacute je očko zaliteacute epoxidovyacutem
lepidlem U detektorů s vnitřniacute uacutepravou detekčniacuteho otvoru modryacutem epoxidem se do
detekčniacuteho otvoru daacutele vlepujiacute vyvažovaciacute pliacutešky různyacutech tvarů a velikostiacute (od 1 cm2 do 4
cm2) obr 38 ktereacute se naacutesledně zalijiacute do roviny modryacutem epoxidem Jako materiaacutel
vyvažovaciacutech pliacutešků je použita nerezovaacute ocel ANSI 304 (DIN 14301) tloušťky 2 mm Druhyacute
typ detektorů s odolnyacutem plastovyacutem povrchem (typ US) neumožňuje vlepovaacuteniacute pliacutešků
dovnitř detekčniacuteho otvoru Balancovaacuteniacute se tedy provaacutediacute přesnějšiacutem tvarovaacuteniacutem Tx očka
popřiacutepadě vlepovaacuteniacutem pliacutešků v jeho okoliacute
Pro jemneacute doladěniacute se u obou těchto variant (US typ a klasickyacute s modrou epoxidovou
vyacuteplniacute detekčniacuteho otvoru) osazujiacute balančniacute moduly obr 39 ktereacute na plastoveacutem otočneacutem diacutelu
majiacute tuning block o rozměrech cca 05 cm2 z 5 mm tlusteacuteho nerezu Oba balančniacute moduly
umožňujiacute pohyb tuning blocku v okoliacute vyvažovaciacuteho očka
Obr 39 Balančniacute moduly i s kryciacutemi plechy vlevo US vpravo klasickyacute
Tyto moduly nejsou přiacuteliš efektivniacute a sloužiacute pouze k miacuterneacutemu vyvaacuteženiacute Použiacutevajiacute se dva typy
Tuning block
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
25
těchto modulů podle varianty vnitřniacute vyacuteplně detektoru (US typ a klasickyacute s modrou
epoxidovou vyacuteplniacute detekčniacuteho otvoru) Jedniacutem z přijatyacutech naacutevrhů pro vylepšeniacute detektorů s
modrou epoxidovou vyacuteplniacute je použitiacute stejneacuteho balančniacuteho modulu jako u detektoru typu US
Vyacuterobniacute cena US balančniacuteho modulu je podstatně nižšiacute a umožňuje změnu polohy
vyvažovaciacuteho diacutelu nejen po obvodu kružnice ale i změnu vzdaacutelenosti mezi rovinami očka a
tuning bloku Změna teacuteto vzdaacutelenosti se využije v přiacutepadě kdy po osazeniacute detektoru s modrou
epoxidovou pryskyřiciacute balančniacutem modulem dojde ke zhoršeniacute vyvaacuteženiacute ktereacute pouhyacutem
natočeniacutem po kružnici nelze vykompenzovat Použiacutevaacuteniacutem pouze balančniacuteho modulu typu
US by se dosaacutehlo sniacuteženiacute počtu součaacutestek ve vyacuterobniacutem procesu sniacuteženiacute naacutekladů na vyacuterobu
detektoru s modrou epoxidovou vyacuteplniacute detekčniacuteho prostoru a odstranil by se i probleacutem
vznikajiacuteciacute při osazeniacute těchto detektorů balančniacutemi moduly
Dalšiacute naacutevrh se tyacutekal materiaacutelu použiteacuteho na tuning block Snahou bylo zvyacutešit vliv
tuning bloku natolik aby bylo možneacute vynechat kompenzačniacute očko čiacutemž by došlo k urychleniacute
laděniacute Byly testovaacuteny materiaacutely FeNi47ln5 tloušťky 03 mm a FeNi42 tloušťky 04 mm Byl
zvolen tvar kteryacute umožňoval použitiacute staacutevajiacuteciacutech US modulů obr 310 Vliv tuning blocků
se sice zvyacutešil nicmeacuteně ne natolik aby mohlo byacutet vyvažovaciacute očko zcela vynechaacuteno
Obr 310 Prototypy tuning blocků z novyacutech materiaacutelů
36 Vyacutestupniacute kontrola Před samotnou expediciacute detektoru je nutneacute proveacutest kontrolu detekce Kvalita detekce
je ověřovaacutena třemi typy kontaminantů neželeznyacute - NONFE (mosaz) železnyacute - FE (chromovaacute
ocel) a nerezovyacute - SS (ANSI 304) K tomu jsou určeny přiacutepravky na obr 311 a 312 Jednaacute
se o kuličky definovanyacutech průměrů ktereacute jsou zaliteacute v plastovyacutech tyčinkaacutech opatřenyacutech
rozměrovou specifikaciacute kontaminantu Barva tyček odlišuje použityacute typ kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
26
Obr 311 Testovaciacute vzorky pro dopravniacutekoveacute detektory
Obr 312 Testovaciacute vzorky pro farmaceutickeacute detektory
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
27
4 Optimalizace a stiacuten ěniacute detektoru Jedniacutem z bodů teacuteto praacutece je navrženiacute optimalizaciacute průmysloveacuteho detektoru kovu z
hlediska kvality detekce a vyšetřeniacute elektromagnetickeacuteho pole s ohledem na rušiveacute vlivy Z
počaacutetku byly provaacuteděny pokusy se stiacuteněniacutem ciacutevek s ohledem na rušeniacute vnějšiacutem
elektromagnetickyacutem polem Prvniacute uacutevahy vedly k použitiacute stiacuteniacuteciacuteho materiaacutelu s velkou
permeabilitou kteryacute by do sebe soustředil většiacute množstviacute indukčniacutech čar unikajiacuteciacutech do okoliacute
a tiacutem omezil vnějšiacute rušeniacute Na zaacutekladě teacuteto uacutevahy byly testovaacuteny dva materiaacutely FeNi47ln5
tloušťky 03 mm a FeNi42 tloušťky 04 mm ktereacute mohou dosahovat relativniacute permeability až
micror_12106 [5] Těmito pokusy se sice sniacutežilo množstviacute indukčniacutech čar magnetickeacuteho pole
unikajiacuteciacuteho z detektoru ale vlivem přiacuteliš velkeacute permeability bylo ovlivněno i pole uvnitř
detekčniacuteho prostoru kde došlo ke sniacuteženiacute citlivosti Tento naacutevrh měl dalšiacute negativniacute faktory
jako je vysokaacute cena použityacutech materiaacutelů a omezeneacute vyacuterobniacute možnosti nedostačujiacuteciacute šiacuteřkou
paacutesů což by vedlo ke sklaacutedaacuteniacute plechů vedle sebe a tiacutem ke vzniku nehomogenit
Aby byly optimalizace efektivniacute je třeba znaacutet rozloženiacute elektromagnetickeacuteho pole
uvnitř detektoru a vlivy ktereacute na něj působiacute Proto bylo přistoupeno k využitiacute počiacutetačoveacuteho
softwaru Ansys Jednaacute se o profesionaacutelniacute software založenyacute na metodě konečnyacutech prvků Je
určen předevšiacutem pro simulace mechanickeacuteho namaacutehaacuteniacute ale umožňuje i řešeniacute teplotniacutech
elektromagnetickyacutech a sdruženyacutech poliacute [6] Ansys byl vybraacuten předevšiacutem pro možnost řešeniacute i
3D probleacutemů V teacuteto praacuteci bylo z důvodů vyacutepočetniacute naacuteročnosti a velkeacuteho množstviacute
jednotlivyacutech vyacutepočtů přistoupeno k řešeniacute probleacutemu pouze ve dvourozměrneacutem prostoru V
tomto přiacutepadě je řešeno nestacionaacuterniacute magnetickeacute pole ktereacute popisuje rovnice (41) [7]
( ) extr JArotdt
dABArotrot =timesminus+
minus γυγmicro1
(41)
kde
BArot = (42)
A magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel
micro permeabilita
Br remanentniacute indukce
B magnetickaacute indukce
γ měrnaacute elektrickaacute vodivost
ν rychlost pohybu tělesa v magnetickeacutem poli
Jext vektor vnějšiacute proudoveacute hustoty
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
28
41 Vyšet řovaacuteniacute vlivu pozice Rx vinutiacute Nejprve byly provedeny simulace staacutevajiacuteciacuteho zařiacutezeniacute o rozměrech detekčniacuteho otvoru
150 mm x 350 mm Zaacutekladniacute geometrie probleacutemu je na obraacutezku 41 Pro řešeniacute zaacutekladniacuteho
probleacutemu by bylo možneacute použiacutet symetrii modelu pokud však model doplniacuteme o kontaminant
možnost teacuteto symetrie odpadaacute Byly provedeny tři seacuterie vyacutepočtů ktereacute se lišily materiaacutelem
kontaminantu Každaacute seacuterie se sklaacutedala z 24 samostatnyacutech vyacutepočtů ve kteryacutech se postupně
měnila pozice kontaminantu tak jako je tomu při skutečneacute situaci na dopravniacutem paacutesu
Použityacutem APDL skriptem by bylo možneacute řešit i průchody kontaminantu v různyacutech vyacuteškaacutech
detekčniacuteho otvoru Pro potřeby těchto vyacutepočtů byl průchod zvolen středem jelikož je zde
citlivost detektoru nejnižšiacute Nutno poukaacutezat na skutečnost že kontaminant reprezentovanyacute
kružniciacute v řezu detektoru nelze považovat za kulovyacute nyacutebrž za vodič kruhoveacuteho průřezu
stejneacute deacutelky jako Tx respektive Rx vinutiacute Rozmeziacute pohybu kontaminantu bylo od -230 mm
do 230 mm vůči Tx vinutiacute s krokem 20 mm Obdeacutelniacuteky v okoliacute Tx vinutiacute byly vytvořeny za
uacutečelem možnosti zjemněniacute vyacutepočetniacute siacutetě v prostoru Tx a Rx vinutiacute Na obraacutezku 41 nejsou
namodelovaacuteny Rx ciacutevky neboť hodnota naindukovaneacuteho napětiacute byla ziacuteskaacutevaacutena v pěti
různyacutech vyacuteškovyacutech poziciacutech a bylo hodnoceno indukovaneacute napětiacute Ui
Obr 41 Zaacutekladniacute geometrie
nerezovyacute kryt
vodiče Tx vinutiacute
kontaminant
obdeacutelniacuteky vzduchoveacuteho okoliacute s jemnějšiacute vyacutepočetniacute siacutetiacute střed souřadneacuteho
systeacutemu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
29
411 Preprocessing - p řiacuteprava skriptu Nejprve bylo nutneacute zjistit geometrickeacute rozměry a materiaacuteloveacute konstanty zkoumaneacuteho
detektoru Geometrickeacute rozměry byly ziacuteskaacuteny z databaacuteze Solidworks modelů společnosti
Loma Systems sro V kapitole 71 je uacuteryvek APDL skriptu pro tvorbu geometrie
Materiaacutely použiteacute v modelu jsou vzduch vodiče Tx vinutiacute nerezovyacute obal detektoru a
materiaacutely kontaminantů V raacutemci zjednodušeniacute modelu nebyly uvažovaacuteny PVC izolace Tx
vinutiacute samotneacute Tufneloveacute jaacutedro a materiaacutel s niacutemž je prostor mezi jaacutedrem a nerezovyacutem
krytem vyplněn neboť tyto materiaacutely vykazujiacute z pohledu šiacuteřeniacute elektromagnetickeacuteho pole
stejneacute vlastnosti jako vzduch Konkreacutetniacute hodnoty materiaacutelovyacutech konstant viz tabulka 41
odpor Tx vinutiacute nebyl uvažovaacuten neboť jeho plochy byly zatiacuteženy definovanou proudovou
hustotou tudiacutež neniacute možneacute uvažovat přiacutepadně naindukovaneacute viacuteřiveacute proudy Daacutele bylo nutneacute
zvolit a spraacutevně nastavit použiteacute elementy modelu
Tab 41 Materiaacuteloveacute vlastnosti
měrnaacute
permeabilita [-] měrnyacute elektrickyacute
odpor [Ωm]
vzduch 1 -
Tx vinutiacute 1 -
nerezovaacute ocel (ANSI 304 DIN 14301)
1008 [10] 72010-7
neželeznyacute kontaminant (mosaz)
1 75010-8
železnyacute kontaminant (chromovaacute ocel)
400 12010-7
nerezovyacute kontaminant (ANSI 304 DIN 14301) 1008 72010-7
Jako elementy daneacuteho modelu byly zvoleny elementy PLANE53 určeneacute pro řešeniacute
magnetickeacuteho pole Jednaacute se o osmi uzloveacute elementy ktereacute mohou miacutet až čtyři stupně
volnosti na uzel Stupně volnosti mohou byacutet magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel (AZ) časově
integrovanyacute elektrickyacute skalaacuterniacute potenciaacutel (VOLT) elektrickyacute proud (CURR) a
elektromotorickaacute siacutela (EMF) [6] Geometrie elementu na obr 42
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
30
Obr 42 Geometrie elementu PLANE53 [6]
Uacuteryvek koacutedu v kapitole 72 obsahuje definovaacuteniacute materiaacutelovyacutech vlastnostiacute definovaacuteniacute
elementů a jejich nastaveniacute V dalšiacute časti bylo nutneacute jednotliveacute materiaacutely a elementy přiřadit
danyacutem plochaacutem
Daacutele bylo zapotřebiacute nastavit atributy pro automatickeacute siacuteťovaacuteniacute oblasti Je nutneacute aby v
tenkyacutech a malyacutech plochaacutech byla vyššiacute hustota siacutetě než na velkyacutech plochaacutech kde postačuje siacuteť
řidšiacute Velmi důležitaacute je kompatibilita siacutetě proto byla v okoliacute Tx vodičů vytvořena
obdeacutelniacutekovaacute oblast s hustšiacute siacutetiacute viz uacuteryvek koacutedu v přiacuteloze 73
Obr 43 Detailniacute pohled na siacuteť elementů
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
31
V posledniacute čaacutesti preprocessingu byla definovaacutena Dirichletova okrajovaacute podmiacutenka
udaacutevajiacuteciacute magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel roven nule na vnějšiacute hrany vzduchoveacuteho okoliacute a
průběh budiacuteciacute proudoveacute hustoty v Tx vodičiacutech V horniacutem a dolniacutem vodiči měly toky opačnyacute
smysl proto bylo nutneacute vytvořit dva vektory hodnot J1 (obr 44) a mJ1 V posledniacute řadě bylo
provedeno přiřazeniacute průběhů k plochaacutem viz kapitola 74
Obr 44 Průběh proudoveacute hustoty v ploše Tx vodiče
Ansys byl do Solution modu přepnut přiacutekazem SOL kde se provedlo nastaveniacute
analyacutezy a byl spuštěn vyacutepočet viz kapitola 76
412 Postprocessing - ziacuteskaacutevaacuteniacute vyacutesledk ů Ciacutelem teacuteto čaacutesti bylo zjištěniacute průběhů naindukovanyacutech napětiacute Ui v zaacutevislosti na čase
pro různeacute vyacuteškoveacute pozice přijiacutemaciacutech ciacutevek Rx Pro indukovaneacute napětiacute platiacute vztah
( )Vndt
dU i sdotΦminus= (43)
kde
( )TdxBlx
x
Yint sdotsdot=Φ2
1
(44)
n počet zaacutevitů Rx vinutiacute
l deacutelka Rx vinutiacute ve směru osy Z
x1 a x2 šiacuteřka Rx vinutiacute ve směru osy X
BY složka magnetickeacute indukce v ose Y
Zadaacuteniacutem souřadnic dvou bodů se nadefinovala uacutesečka (cesta) na kterou byly s určityacutem
J (Am-2)
kroky vyacutepočtu (-)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
32
krokem zaznamenaacuteny hodnoty magnetickeacute indukce BY Průběh BY v zaacutevislosti na souřadnici X
je na obr 45
Obr 45 Průběh magnetickeacute indukce BY v zaacutevislosti na souřadnici X
Obr 46 Průběh magnetickeacuteho toku Φ v zaacutevislosti na souřadnici X
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
33
Integrovaacuteniacutem průběhu BY se ziacuteskal průběh magnetickeacuteho indukčniacuteho toku Φ obr 46
Magnetickyacute indukčniacute tok Φ je roven určiteacutemu integraacutelu (rovnice 44) průběhu BY obr 45 Z
toho vyplyacutevaacute že magnetickyacute indukčniacute tok je roven posledniacute hodnotě průběhu na obr 46
Tato hodnota se vynaacutesobila deacutelkou Rx vinutiacute Postup vyacutepočtu se opakoval pro všechny pozice
Rx vinutiacute a to v každeacutem kroku transientniacute analyacutezy Tiacutem se ziacuteskala zaacutevislost magnetickeacuteho
indukčniacuteho toku Φ na čase t V programu MS Excel se vynaacutesobil tok počtem zaacutevitů Rx vinutiacute
a byla provedena derivace podle času (rovnice 43) Takto byly zpracovaacuteny vyacutesledky pro
všechny pozice kontaminantu vůči Tx vinutiacute APDL skript pro ziacuteskaacutevaacuteniacute hodnot viz kapitola
76 a v kapitole 77 je vyacutepis makra ktereacute uklaacutedaacute hodnoty do souboru
413 Hodnoceniacute vyacutesledk ů Vypočteneacute hodnoty Ui ve všech pěti vyacuteškovyacutech poziciacutech hrx byly vyneseny do grafů v
zaacutevislosti na čase Pokud se vynesou do jednoho grafu průběhy indukovanyacutech napětiacute pro
každou pozici kontaminantu v daneacute vyacutešce lze sledovat odezvu indukovaneacuteho napětiacute na
polohu kontaminantu Jelikož byly provedeny tři seacuterie vyacutepočtů s různyacutemi kontaminanty lze
porovnat i tvary přijiacutemanyacutech signaacutelu pro jednotliveacute materiaacutely Ciacutelem teacuteto čaacutesti je porovnat
signaacutely ziacuteskaacutevaneacute v různyacutech vyacuteškovyacutech polohaacutech Rx vinutiacute a vybrat nejvhodnějšiacute signaacutel pro
detekci
Na naacutesledujiacuteciacutech grafech jsou znaacutezorněny napěťoveacute průběhy během jedneacute periody v
zaacutevislosti na poloze kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
34
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 47 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 48 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
35
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 49 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 410 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
36
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 411 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 5)
Na obraacutezciacutech 47 až 411 jsou zobrazeny průběhy odpoviacutedajiacuteciacute průchodu železneacuteho
kontaminantu s relativniacute permeablitou 400 a měrnyacutem elektrickyacutem odporem 10210-7 Ωm Na
průběziacutech 47 48 a 411 lze pozorovat sice nižšiacute hodnotu signaacutelu ale celkovaacute deformace
během průchodu kontaminantu je většiacute
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 412 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
37
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 413 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 414 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
38
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 415 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 416 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce5)
Na obraacutezciacutech 412 až 416 jsou zobrazeneacute průběhy odpoviacutedajiacuteciacute průchodu kontaminantu z
nerezu ANSI 304 s relativniacute permeablitou 1008 a měrnyacutem elektrickyacutem odporem 7210-7
Ωm Při porovnaacuteniacute s předchoziacutem kontaminantem je změna signaacutelu nižšiacute což odpoviacutedaacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
39
předpokladům o obtiacutežnějšiacute detekci nerezovyacutech kontaminantů
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 417 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 418 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
40
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 419 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 420 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
41
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 421 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 5)
Na obraacutezciacutech 417 až 421 jsou zobrazeny průběhy odpoviacutedajiacuteciacute neželezneacutemu
kontaminantu (mědi) s parametry relativniacute permeablita 1 a měrnyacute elektrickyacute odpor 7510-8
Ωm Průběh signaacutelu je velmi podobnyacute signaacutelům nerezoveacuteho kontaminantu
Porovnaacuteniacutem všech grafů (obr 47 - obr 422) je obecně vidět že u průběhů ve vyacutešce
3 a 4 je zisk signaacutelu pro všechny modelovaneacute kontaminanty největšiacute Dochaacuteziacute zde ale ke
změně amplitudy pouze v jednom smyslu což z hlediska vyhodnocovaciacutech algoritmů zlepšeniacute
detekce vylučuje Naproti tomu je u signaacutelu ve vyacutešce 5 znatelně vyššiacute amplituda než v
použiacutevaneacute vyacutešce 2 Na zaacutekladě tohoto zjištěniacute bude zhotoven prototyp detektoru za uacutečelem
ověřeniacute teoretickyacutech vyacutesledků
Na obraacutezku 422 je ukaacutezka grafickeacuteho vyacutestupu zobrazujiacuteciacuteho vektory proudoveacute
hustoty naindukovaneacute v nerezoveacutem krytu a v kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
42
Obr 422 Vektory proudovyacutech hustot naindukovanyacutech do kontaminantu a nerezoveacuteho krytu
Obraacutezek 423 zobrazuje kontury magnetickeacuteho pole ve stejneacutem časoveacutem kroku jako obr
422 Pole ktereacute je konturami zobrazeno je tvořeno praacutevě proudovou hustotou obr 422 Je
zde možneacute pozorovat jak se pole deformuje přiacutetomnyacutem kontaminantem
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
43
Obr 423 Kontury magnetickeacuteho vektoroveacuteho potenciaacutelu s viditelnou deformaciacute pole způsobenou
feromagnetickyacutem kontaminantem
42 Vyšet řovaacuteniacute množstviacute vyza řovaneacute energie V teacuteto čaacutesti se vychaacutezelo z předpokladu že intenzita elektromagnetickeacuteho pole uvnitř
detektoru je mnohem většiacute než elektromagnetickyacute šum kteryacute do detektoru vnikaacute z okoliacute
Proto lze předpoklaacutedat že rušeniacute bude způsobeno předevšiacutem deformaciacute vlastniacuteho
vyzařovaneacuteho pole v bliacutezkeacutem okoliacute detektoru To vede ke snaze snižovat množstviacute vlastniacuteho
vyzaacuteřeneacuteho pole ven z detektoru aby nemohlo byacutet deformovaacuteno okolniacutemi předměty
421 Řešeniacute probleacutemu Bylo porovnaacuteno pět variant detektorů bez průchodu kontaminantu Každaacute varianta se
řešila jedniacutem vyacutepočtem z čehož plyne malaacute časovaacute naacuteročnost a proto byly probleacutemy řešeny
bez využitiacute symetrie Prvniacute byl staacutevajiacuteciacute detektor o tloušťce kryciacuteho nerezoveacuteho plechu 3 mm
druhyacute byl stejneacute geometrie ale za použitiacute silnějšiacuteho 5 mm tlusteacuteho nerezu Třetiacute typ měl
tloušťku 3 mm ale na horniacute a dolniacute stěně bylo přidaacuteno dalšiacute stiacuteněniacute z nerezu ve tvaru T (obr
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
44
426) Posledniacute dva naacutevrhy měly pravouacutehlyacute tvar krytu celkově menšiacutech rozměrů z nichž jeden
byl jednoduchyacute o tloušťce 3 mm (obr 427) a druhyacute měl shora a zdola dvojiteacute dno z nerezu
tloušťky 3 mm (obr_428) Touto metodou by se dalo porovnaacutevat mnohem většiacute množstviacute
provedeniacute ktereacute by se mohly lišit i použityacutem materiaacutelem Vzduchoveacute okoliacute detektoru bylo
rozděleno na čtyři sektory v nichž se sečetly hodnoty magnetickeacute energie jednotlivyacutech
elementů v každeacutem kroku analyacutezy a tiacutem se ziacuteskal průběh množstviacute energie v daneacutem prostoru
na čase Objemovaacute hustota magnetickeacute energie byla zjišťovaacutena ve všech plochaacutech daneacute
geometrie a bylo možno sledovat jak se energie v čase přemisťuje
Obr 424 Geometrie varianty 3 mm
Obr 425 Geometrie varianty 5 mm
Obr 426 Geometrie varianty 3 mm-stineni
Obr 427 Geometrie varianty novy 1
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
45
Obr 428 Geometrie varianty novy 2
Přiacuteprava skriptů se od předchoziacutech vyacutepočtů lišila pouze v geometrii jinak byla
principiaacutelně stejnaacute Rozdiacutel byl však v čaacutesti post-processingu (ziacuteskaacutevaacuteniacute vyacutesledků) Aby bylo
možno přistupovat k jednotlivyacutem sektorům musel byacutet každyacute sektor definovaacuten vlastniacutem typem
elementů (elementy byly použity stejneacute jednaacute se pouze o čiacuteslovaacuteniacute) Byly použity osmkraacutet
elementy PLANE53
ET153 Tx vinuti ET253 prostor uvnitr detektoru ET353 nerezovy obal ET453 detekcni prostor ET553 vzduchove okoli - horni ET653 vzduchove okoli - pravy ET753 vzduchove okoli - dolni ET853 vzduchove okoli - levy
Přiacuteklad načiacutetaacuteniacute vyacutesledků pro jeden typ elementů
POST1 prepnutiacute do postprocesoru allsel oznaceni vsech elementu vytvoreni pole pro ukadani hodnot DIMenergie1TABLEkroku11timeE zapsani nulovych hodnot na zacatek vektoru vysledku energie1(00)=0 energie1(01)=0 cyklus ve kterem se nacitaji vysledky jednotlivych kroku simulace doi1kroku1 APPEND 1 i nacteni daneho kroku eseltype1 vybrani elementu typu 1 GET e_count1 ELEM count vraci mnozstvi elementu daneho typu GET e_next ELEM 0 NXTH vraci nejnizsi adresu elementu daneho typu v promenne e_next energ1=0 vynulovani promenne cyklus ktery postupne prochazi vsechy elementy daneho typu doj1e_count11 GET e_energ1 ELEM e_next SENE ulozi do promene e_energ1 mnozstvi energie v elementu s adresou e_next
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
46
GET e_next ELEM e_next NXTH posune adresu elementu o jedna energ1=energ1+e_energ1 pricte mnozstvi energie e_energ1 do kumulativni promnenne energ1 enddo konec vnitrniho cyklu energie1(i0)=i zapise do pole vysledku cislu jirju simulace energie1(i1)=energ1 zapise do pole vysledku mnozstvi energie v cele plose s elementy daneho typu enddo konec vnejsiho cyklu zapis_energ zavolani makra pro zapis vysledku do souboru
422 Hodnoceniacute vyacutesledk ů V jednotlivyacutech sektorech se provedla suma magnetickeacute energie pro každyacute krok
simulace Vyacutesledkem jsou průběhy množstviacute energie v daneacute ploše v zaacutevislosti na krociacutech
simulace (čase) Jednotliveacute varianty byly hodnoceny na zaacutekladě porovnaacuteniacute průběhů se
staacutevajiacuteciacutem detektorem
Energie v Tx vinutiacute
000E+00
100E-03
200E-03
300E-03
400E-03
500E-03
600E-03
700E-03
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 429 Energie v Tx vinutiacute
Na grafu (obr 429) je vidět že množstviacute energie v Tx vinutiacute neniacute zaacutevisleacute na geometrii a je
daacuteno budiacuteciacutem signaacutelem v Tx vinutiacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
47
Energie unit ř detektoru
000E+00
200E-02
400E-02
600E-02
800E-02
100E-01
120E-01
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 430 Energie uvnitř detektoru
Na obr 430 je znaacutezorněno množstviacute energie v prostoru detektoru do ktereacuteho neniacute
započiacutetaacutena detekčniacute oblast ta je zobrazena na obr 432 V teacuteto čaacutesti neniacute pozorovaacutena žaacutednaacute
vyacuteraznaacute změna
Energie v nerezoveacutem obalu
000E+00
500E-05
100E-04
150E-04
200E-04
250E-04
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 431 Energie v nerezoveacutem obalu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
48
Vyacuteraznějšiacute změny se odehraacutevajiacute v nerezoveacutem obalu Nejmenšiacute množstviacute energie je v klasickeacute
3 mm tlusteacute a v 5 mm tlusteacute variantě U klasickeacute varianty se stiacuteněniacutem a u novyacutech naacutevrhů je
naacuterůst způsoben přibliacuteženiacutem nerezu k Tx vinutiacute
Energie v prostoru detek čniacuteho otvoru
000E+00
500E-03
100E-02
150E-02
200E-02
250E-02
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 432 Energie v prostoru detekčniacuteho otvoru
V oblasti detekčniacuteho otvoru je snaha o uchovaacuteniacute co největšiacuteho množstviacute energie neboť
zmenšeniacute energie vede ke sniacuteženiacute odezvy na kontaminant tedy ke sniacuteženiacute citlivosti detektoru
Z obr 432 je patrneacute že geometrickeacute uacutepravy detektoru (3 mm se stiacuteněniacutem novy 1 a novy 2)
vedou ke sniacuteženiacute množstviacute energie v tomto prostoru
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
49
Energie v horniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
100E-07
200E-07
300E-07
400E-07
500E-07
600E-07
700E-07
800E-07
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 433 Energie v horniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Energie v dolniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
100E-07
200E-07
300E-07
400E-07
500E-07
600E-07
700E-07
800E-07
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 434 Energie v dolniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Porovnajiacute-li se obr 433 a 434 je u variant 1 - 3 možneacute pozorovat rozdiacutely mezi horniacute a dolniacute
plochou Je zde na prvniacute pohled vidět jak horniacute oblouk snižuje množstviacute energie unikajiacuteciacute do
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
50
okoliacute Jako uacutečinneacute se z pohledu těchto sektorů jeviacute varianta klasickeacuteho detektoru se stiacuteněniacutem a
novyacute naacutevrh s dvojityacutemi stěnami
Energie v praveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
500E-06
100E-05
150E-05
200E-05
250E-05
300E-05
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 435 Energie v praveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Energie v leveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
500E-06
100E-05
150E-05
200E-05
250E-05
300E-05
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 436 Energie v leveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
51
Pravyacute a levyacute sektor je z důvodů symetrie stejnyacute na obrazciacutech 435 a 436 lze pozorovat tzv
metal free zoacutenu kteraacute se u detektorů udaacutevaacute Jednaacute se o prostor před a za detekčniacutem otvorem
ve ktereacutem se nesmiacute nachaacutezet žaacutednyacute kovovyacute materiaacutel (z důvodu ovlivňovaacuteniacute pole) snahou je
tuto zoacutenu co nejviacutece zmenšit Z grafů je patrneacute že novyacute naacutevrh s dvojityacutemi stěnami vykazuje
nejmenšiacute množstviacute energie v teacuteto oblasti Naopak u klasickeacute varianty se stiacuteněniacutem došlo k
vytlačeniacute pole z vnitřku detektoru praacutevě do těchto okolniacutech zoacuten
Na zaacutekladě těchto poznatků bude provedeno ověřeniacute na skutečnyacutech zařiacutezeniacutech Mezi
použitelneacute varianty připadaacute klasickaacute konstrukce doplněnaacute o stiacuteněniacute a novyacute naacutevrh s dvojityacutemi
stěnami U toho je však velkaacute hrozba sniacuteženiacute citlivosti způsobeneacute menšiacutem množstviacutem energie
v detekčniacutem prostoru
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
52
5 Zaacutevěr Ciacutelem předklaacutedaneacute praacutece je zlepšeniacute činnosti detektorů kovů přiacutepadně uacuteprava
technologie vyacuteroby při současneacutem sniacuteženiacute vyacuterobniacutech naacutekladů Předpokladem uacutespěšnyacutech
naacutevrhů byla podrobnaacute studie činnosti a principu těchto zařiacutezeniacute kteraacute jsou vyacuterobcem po
několik let uacutespěšně prodaacutevaacutena na světovyacutech trziacutech
Na zaacutekladě těchto požadavků byly provedeny některeacute testy ktereacute měly ověřit
předpoklaacutedanaacute zlepšeniacute Nejširšiacute možnosti přinaacutešiacute modelovaacuteniacute magnetickeacuteho pole
průmyslovyacutech detektorů počiacutetačovou simulaciacute kteraacute je zatiacutem schopna řešit zadaneacute probleacutemy
v dvourozměrneacutem prostoru Nejčastěji řešeneacute probleacutemy jsou staacutele spojeny se zaacutekladniacutem
principem činnosti těchto zařiacutezeniacute tj vlivem a působeniacutem kontaminantu na
elektromagnetickeacute pole buzeneacute ciacutevkami uvnitř detektoru a nepřiacuteznivyacute vliv vnějšiacutech rušivyacutech
poliacute např při současneacute činnosti sousedniacutech detektorů Dalšiacutem zdrojem rušivyacutech magnetickyacutech
poliacute může byacutet i činnost a přiacutetomnost různyacutech elektrickyacutech zařiacutezeniacute probleacutem spojenyacute s
vhodnyacutem materiaacutelem a tvarem stiacuteněniacute těchto zařiacutezeniacute
Vzhledem k maximaacutelniacute citlivosti elektronickyacutech obvodů a požadovaneacute pečlivosti při
balancovaacuteniacute (vyvažovaacuteniacute) se vyskytuje probleacutem kteryacute souvisiacute se staacutelostiacute nastaveniacute detektoru
při mechanickeacutem otřesu přiacutepadně odstraněniacute změn ke kteryacutem dochaacuteziacute vlivem dopravy
Dalšiacutem plaacutenovanyacutem krokem je namodelovaacuteniacute probleacutemu v trojrozměrneacutem prostoru od
ktereacuteho je očekaacutevaacuteno zohledněniacute dalšiacutech vlivů a tiacutem zpřesněniacute samotneacuteho vyacutesledku
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
53
6 Použitaacute literatura [1] Internetoveacute straacutenky společnosti Loma Systems sro
httpwwwlomacom_czindexshtml
[2] Haacutejek J Jarchovskyacute Z Detektory kovů - naacutevod na stavbu nakladatelstviacute BEN Praha
2010
[3] Beneda L Detektory kovů bakalaacuteřskaacute praacutece ZČU Plzeň 2010
[4] Internetoveacute straacutenky společnosti Ad controls sro
httpwwwadcontrolsczdetektory_kovu_zakladni_pojmy
[5] KOVOHUTĚ ROKYCANY as COMTES FHT as MATEX sro Průběžnaacute
zpraacuteva k projektu FeNi - čj 1021207 - 32 za rok (2007 - 2009)
[6] Ansys Inc ANSYS HELP Release 130 Dokumentace k programu
[7] Karban P a kolektiv autorů Aplikace teoretickeacute elektrotechniky Skripta ZČU Plzeň
2011
[8] Benešovaacute Z Ulrych B Přiacuteručka pro použitiacute programů ve vyacuteuce teorie
elektromagnetickeacuteho pole Skripta ZČU Plzeň 1997
[9] Loma Systems sro Knowledge Base - Interniacute dokumentace společnosti
[10] Internetoveacute straacutenky společnosti Aerospace specification metals Inc
httpasmmatwebcomsearchSpecificMaterialaspbassnum=MQ304A
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
1
7 Přiacutelohy
71 Tvorba geometrie PREP7 prepnuti do rezimu preprocesingu jj=8 index polohy kontaminantu r1=05e-3 polomer Tx vodice 05 mm r2=15e-3 polomer kontaminantu 15 mm c=90e-3 sirka Rx civek h=1767e-3 vzdalenost mezi Tx vinutim hrx=(h2)+526e-3 zakladni vyskova poloha mezi Rx civkami hss=175e-3 vyska nerezoveho krytu wss=150e-3 sirka nerezoveho krytu tss=3e-3 tloustka nerezove steny hd=h-227e-3 vyska detekcniho otvoru wok=1000e-3 sirka vzduchoveho okoli hok=1000e-3 vyska vzduchoveho okoli wkon=(-250e-3)+(jj20e-3) poloha kontaminantu na ose X tvorba geometrickych bodu nerezoveho krytu K1022589e-30 K2022185e-30 K3-7907e-321208e-30 K4-78e-32085e-30 K57907e-321208e-30 K678e-32085e-30 K7-wsshss0 K8-wss+tsshss-tss0 K9wsshss0 K10wss-tsshss-tss0 K11-wss-hss0 K12-wss+tss-hss+tss0 K13wss-hss0 K14wss-tss-hss+tss0 vytvoreni ploch definovanymi body FLST273 FITEM27 FITEM23 FITEM21 FITEM25 FITEM29 FITEM213 FITEM211 AP51X FLST273 FITEM28 FITEM24 FITEM22 FITEM26 FITEM210 FITEM214 FITEM212 AP51X CYL40h2r1 plocha horniho Tx vodice CYL40-h2r1 ploch dolniho Tx vodice BLC50((h2)+hrx)2100e-310e-3 plocha horniho vzduchoveho okoli Tx vodice BLC50-((h2)+hrx)2100e-310e-3 plocha dolniho vzduchoveho okoli Tx vodice BLC5002wsshd plocha detekcniho ootvoru APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch odstraneni ploch ktere budou sjednoceny se vzduchovym okolim
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
2
FLST255ORDE4 FITEM210 FITEM2-12 FITEM215 FITEM218 ADELEP51X BLC500wokhok vytvoreni plochy vzduchoveho okoli APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch CYL4wkon0r2 vytvoreni plochy kontaminantu APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch konec tvorby geometrickeho modelu
72 Definice element ů materiaacutel ů a jejich p řiřazeniacute k plochaacutem definovani materialu MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX11 material 1 Tx permeabilita 1 MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX21 material 2 Air permeabilita 1 MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX31008 material 3 nerezovy kryt SS ANSI 304 permeabilita MPTEMP MPTEMP10 MPDATARSVX372e-7 material 3 nerezoovy kryt SS Ansi 304 rezistivita MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX4400 material 4 Kontaminant permeabilita MPTEMP MPTEMP10 MPDATARSVX4102e-7 material 4 Kontaminant rezistivita definovani elementu ET153 Tx civky ET253 Vzduch ET353 nerezovy kryt ET453 kontaminant nastaveni elementu KEYOPT110 Tx civky KEYOPT120 KEYOPT130 KEYOPT140 KEYOPT150 KEYOPT170 KEYOPT210 Air KEYOPT220 KEYOPT230 KEYOPT240 KEYOPT250 KEYOPT270 KEYOPT310 SS KEYOPT320 KEYOPT330 KEYOPT340 KEYOPT350
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
3
KEYOPT370 KEYOPT410 kontaminant KEYOPT420 KEYOPT430 KEYOPT440 KEYOPT450 KEYOPT470 prirazeni elementu a materialum k plocham FLST525ORDE2 Tx FITEM58 FITEM5-9 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 1 1 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 FLST535ORDE3 Air FITEM53 FITEM516 FITEM5-17 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 2 2 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 FLST525ORDE2 SS FITEM513 FITEM5-14 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 3 3 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 CM_YAREA kontaminant ASEL 1 CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 4 4 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
4
73 Siacuteťovaacuteniacute oblastiacute FLST275ORDE7 FITEM21 FITEM28 FITEM2-9 FITEM213 FITEM2-14 FITEM216 FITEM2-17 AESIZEP51X00005 nastaveni delky steny elementu 00005 m FLST215ORDE1 FITEM23 AESIZEP51X001 nastaveni delky steny elementu 001 m MSHAPE12D nastaveni 2D trojuhelnikove site MSHKEY0 FLST585ORDE8 FITEM51 FITEM53 FITEM58 FITEM5-9 FITEM513 FITEM5-14 FITEM516 FITEM5-17 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CHKMSHAREA CMSELS_Y AMESH_Y1 spusteni automatickeho sitovani CMDELE_Y CMDELE_Y1 CMDELE_Y2
74 Okrajovaacute podmiacutenka a nastaveniacute budiciacuteho pr ůběhu okrajova podminka FLST244ORDE4 FITEM214 FITEM212 FITEM27 FITEM25 DLP51X AZ0 nastaveni zatizeni parametry budici proudove hustoty f=35e3 frekvence signalu [Hz] part=600 pocet kroku signalu T_min=0 pocatek casove osy T_max=1f konec casove osy dt=T_maxpart casovy krok parametry prudove hustoty pi=4atan(1) s=pir12 I=600sqrt(2) N1=1 J1_a=IN1s definovani vzestupne casti pulsu tau=3 DIMJexTABLE5011timeJ Jex(11)=0
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
5
Jex(10)=0 doi2501 Jex(i1)=(J1_a)(1-exp(-itau)) Jex(i0)=(i) enddo definovani sestupne casti pulsu tau=3 DIMJex1TABLE5011timeJ Jex1(11)=J1_a Jex1(10)=0 doi2501 Jex1(i1)=(J1_a)(exp(-itau)) Jex1(i0)=(i) enddo sestaveni celeho pulsu DIMJex2TABLE10011timeJ Jex2(11)=0 Jex2(10)=0 doi2501 Jex2(i1)=Jex(i1) Jex2(i0)=(i) enddo doi511001 Jex2(i1)=Jex1(i-501) Jex2(i0)=(i) enddo priprava nulovych vektoru kladneho a zaporneho prubehu J DIMJ1TABLE60011timeJ DIMmJ1TABLE60011timeJ doi16001 J1(i0)=(i-1)dt time J1(i1)=0 J mJ1(i0)=(i-1)dt time mJ1(i1)=0 -J enddo vlozeni prvniho pulsu doi11001 J1(i1)=Jex2(i1) mJ1(i1)=-Jex2(i1) enddo vlozeni druheho pulsu doi3004001 J1(i1)=-Jex2(i-3001) mJ1(i1)=Jex2(i-3001) enddo prirazeni prubehu k plocham PREP7 FLST215ORDE1 FITEM28 BFAP51XJSJ1 FLST215ORDE1 FITEM29 BFAP51XJSmJ1
75 Nastaveniacute analyacutezy SOL prepnuti do Solution modu - nastaveni analyzy kroku=300 pocet kroku simulace ANTYPE4 TRNOPTFULL
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
6
NSUBSTkroku00 OUTRESERASE OUTRESALL1 TIMET_max solve spusti vypocet ulohy
76 Postprocessing POST1 prepne do Preprocesing modu krokyb=200 pocet kroku na delku coilgapu L=03 delka Rx snimace hrx1=(h2)+10e-3 jednotlive vyskove pozice Rx vinuti hrx2=(h2)+526e-3 hrx3=(h2) hrx4=((h2)-526e-3) hrx5=((h2)-10e-3) vytvoreni pole hodnot - 10 sloupcu x 300 radku sloupce odpovidaji poctu jednotlivych civek 2x5 (5 poloh horni a dolni civka) DIMTOKTABLEkroku101SUBSTEP TOK(00)=0 TOK(01)=0 TOK(02)=0 TOK(03)=0 TOK(04)=0 TOK(05)=0 TOK(06)=0 TOK(07)=0 TOK(08)=0 TOK(09)=0 TOK(010)=0 dok1kroku1 hlavni cyklus pocet cyklu odpovida poctu kroku analyzy APPEND 1 k nacteni k-teho kroku analyzy tato cast kodu je nutna pro kazdou civku zvlast (10x se opakuje) PATHHORNI26krokyb-1 definovani cesty horni civky PPATH10-c2hrx10 levy koncovy bod PPATH20c2hrx10 pravy koncovy bod PDEF BYAVG namapovani Y-slozky magneticke indukce B PCALCINTGINT_HORBYXGL vypocet integralu z By podle dX PBCPATH 0 PAGETHORNI1_TABL ulozeni hodnot ziskanych na definovane ceste do pole HORNI1_ PADELALL smazani cesty i s hodnotamy (pole HORNI1_ zustava) konec opakujici se casti prirazovani posledni hodnoty integralu do prislusneho pole vysledku TOK(k0)=k casova osa TOK(k1)=HORNI1_(krokyb6) TOK(k2)=DOLNI1_(krokyb6) TOK(k3)=HORNI2_(krokyb6) TOK(k4)=DOLNI2_(krokyb6) TOK(k5)=HORNI3_(krokyb6) TOK(k6)=DOLNI3_(krokyb6) TOK(k7)=HORNI4_(krokyb6) TOK(k8)=DOLNI4_(krokyb6) TOK(k9)=HORNI5_(krokyb6) TOK(k10)=DOLNI5_(krokyb6) DELPRM_ smaze vsechny pole vysledku koncici znakem _ enddo konec cyklu zapis_tok odkaz na skript pro zapsani pole vysledku do souboru txt
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
7
77 Makro Vyacutepis makra ktereacute uklaacutedaacute hodnoty do souboru tok_fitxt
MWRITETOK(111)tok_fitxt vytvori soubor tok_fitxt a ulozi do
nej matici vysletku TOK
(10E135) urcuje format zapisu hodnot - 10
sloupcu cisel o celkove delce 13ti
znaku z toho 5 za desetinou teckou
CFCLOS uzavre soubor
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
8
Eviden čniacute list
Souhlasiacutem s tiacutem aby moje bakalaacuteřskaacute praacutece byla půjčovaacutena k prezenčniacutemu studiu v
Univerzitniacute knihově ZČU v Plzni
Datum Podpis
Uživatel stvrzuje svyacutem čitelnyacutem podpisem že tuto bakalaacuteřskou praacuteci použil ke studijniacutem
uacutečelům a prohlašuje že ji uvede mezi použityacutemi prameny
Jmeacuteno Fakultakatedra Datum Podpis
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
8
Obsah SEZNAM SYMBOL Ů 9
UacuteVOD 10
1 ZAacuteKLADNIacute FYZIKAacuteLNIacute PRINCIPY DETEKTOR Ů KOVU11
2 PRINCIPY AKTIVNIacuteCH ELEKTROMAGNETICKYacuteCH DETEKTOR Ů KOVU 12
21 PRINCIP BALANČNIacuteCH DETEKTORŮ12
3 ZAŘIacuteZENIacute SPOLEČNOSTI LOMA SYSTEMS SRO 16
31 OBECNEacute INFORMACE17 32 VYSIacuteLACIacute ČAacuteST - TX 17 33 PŘIJIacuteMACIacute ČAacuteST - RX 21 34 PRINCIP VYHODNOCOVAacuteNIacute22 35 VYVAŽOVAacuteNIacute DETEKTORU 23 36 VYacuteSTUPNIacute KONTROLA 25
4 OPTIMALIZACE A STIacuteN ĚNIacute DETEKTORU 27
41 VYŠETŘOVAacuteNIacute VLIVU POZICE RX VINUTIacute 28 411 Preprocessing - přiacuteprava skriptu 29 412 Postprocessing - ziacuteskaacutevaacuteniacute vyacutesledků 31 413 Hodnoceniacute vyacutesledků 33
42 VYŠETŘOVAacuteNIacute MNOŽSTVIacute VYZAŘOVANEacute ENERGIE43 421 Řešeniacute probleacutemu43 422 Hodnoceniacute vyacutesledků 46
5 ZAacuteVĚR 52
6 POUŽITAacute LITERATURA53
7 PŘIacuteLOHY1
71 TVORBA GEOMETRIE1 72 DEFINICE ELEMENTŮ MATERIAacuteLŮ A JEJICH PŘIŘAZENIacute K PLOCHAacuteM 2 73 SIacuteŤOVAacuteNIacute OBLASTIacute 4 74 OKRAJOVAacute PODMIacuteNKA A NASTAVENIacute BUDICIacuteHO PRŮBĚHU 4 75 NASTAVENIacute ANALYacuteZY 5 76 POSTPROCESSING6 77 MAKRO 7
EVIDENČNIacute LIST 8
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
9
Seznam symbol ů DK (-)helliphelliphelliphelliphellip detektor kovů
f (Hz)helliphelliphelliphellip frekvence
ω (s-1)helliphelliphelliphelliphellip uacutehlovaacute rychlost (frekvence)
ρ (Ωm)helliphelliphelliphellip měrnyacute odpor
micro0 (Hm-1)helliphelliphellip permeabilita vakua (4π10-7)
micror (-)helliphelliphelliphelliphellip poměrnaacute permeabilita
TRhelliphelliphelliphelliphelliphellip transformaacutetor
C (F)helliphelliphelliphelliphellip kapacita
Txhelliphelliphelliphelliphelliphellip transmitter - vysiacutelač
Rxhelliphelliphelliphelliphelliphellip receiver - přijiacutemač
SShelliphelliphelliphelliphellip stainless steel - nerezovaacute ocel
IQ2helliphelliphelliphelliphellip model detektoru společnosti Loma Systems sro
IQ3helliphelliphelliphelliphellip novějšiacute model detektoru společnosti Loma Systems sro
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
10
Uacutevod Po zveřejněniacute bakalaacuteřskeacute praacutece Detektory kovů projevila společnost Loma Systems
sro zaacutejem o spolupraacuteci v oblasti vyacuteroby a vyacutevoje průmyslovyacutech detektorů kovu
Společnosti Loma a Cintex byly založeny před 30 lety a jsou předniacutemi světovyacutemi
producenty v oblasti potravinovyacutech farmaceutickyacutech a textilniacutech kontrolniacutech systeacutemů ndash
detektorů kovu rentgenoveacute kontroly a zařiacutezeniacute kontrolniacuteho vaacuteženiacute Sveacute prestižniacute postaveniacute
ziacuteskaly diacuteky sveacute trvaleacute kvalitě a pokročilyacutem technologiiacutem což je vyacutesledkem neustaacuteleacuteho a
rozsaacutehleacuteho vyacutezkumneacuteho a vyacutevojoveacuteho programu
Hlavniacute siacutedlo je ve Farnborough ve Velkeacute Britaacutenii Vyacutezkumnaacute a vyacutevojovaacute centra jsou
jak ve Velkeacute Britaacutenii tak v Chicagu ve Spojenyacutech staacutetech a nyniacute se zřizuje i zde v Českeacute
republice Většina vyacuteroby je ve Velkeacute Britaacutenii a Chicagu nyniacute se postupně přesouvaacute do nově
zřiacutezeneacute provozovny v Českeacute republice (Dobřany) Společnost maacute takeacute přiacutemeacute prodejniacute a
servisniacute zastoupeniacute ve Francii Německu Nizozemiacute Čiacuteně Kanadě a USA Mimo tyto oblasti
těsně spolupracuje s distributory a podiacuteliacute se vyacuterobou a dodaacutevkami součaacutestek pro vyacuterobce ve
viacutece než 35 zemiacutech po celeacutem světě aby zajistila že se zaacutekazniacutekům dostaacutevaacute plneacuteho servisu a
podpory ať už se nachaacutezejiacute kdekoliv [1]
Ciacutelem společnosti je vytvořeniacute kolektivu pracovniacuteků v ČR kteřiacute se již v teorii detekce
kovů orientujiacute a jsou schopni pracovat na probleacutemech a slabyacutech straacutenkaacutech vyacuteroby a podiacutelet se
na vyacutevoji novyacutech detektorů Po dohodě byl vymezen okruh probleacutemů ve kteryacutech by bylo
vhodneacute proveacutest určitaacute zlepšeniacute jak po straacutence technickeacute tak technologickeacute s ohledem na
ekonomickeacute uacutespory a zlepšeniacute vyacuterobniacuteho procesu
V teacuteto praacuteci je uveden popis principu staacutevajiacuteciacuteho zařiacutezeniacute společnosti Loma Systems
sro postup vyšetřovaacuteniacute magnetickeacuteho pole tohoto zařiacutezeniacute a naacutevrh optimalizace z pohledu
zlepšeniacute kvality detekce a stiacuteněniacute elektromagnetickeacuteho pole
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
11
1 Zaacutekladniacute fyzikaacutelniacute principy detektor ů kovu Principy detektorů kovů jsou založeny na využiacutevaacuteniacute specifickyacutech vlastnostiacute kovů
Kovy se od okolniacutech materiaacutelů lišiacute hlavně
bull měrnyacutem elektrickyacutem odporem
bull magnetickyacutemi vlastnostmi
Většina hledanyacutech objektů je energeticky pasivniacute proto je pro jejich detekci potřeba
energii dodaacutevat Dodaacutevanaacute energie je většinou vyzařovaacutena detektorem čaacutestiacute kteraacute maacute funkci
vysiacutelače Vysiacutelanaacute energie může byacutet akustickaacute na tomto principu funguje sonar nebo
elektromagnetickaacute což je princip většiny detektorů od radarů přes průmysloveacute detektory až k
tzv minohledačkaacutem Zde se využiacutevaacute vyacuteše jmenovanyacutech odlišnostiacute ktereacute majiacute vliv na
pohlcenou odraacuteženou a zbytkovou energii kteraacute je detekovanyacutem objektem vyzařovaacutena zpět
nebo jinyacutem způsobem deformuje elektromagnetickeacute pole Množstviacute pohlceneacute energie je daacuteno
matematickyacutem vyacuterazem (11) kteryacute určuje tzv hloubku vniku δ ve ktereacute se přivedenaacute energie
vlivem viacuteřivyacutech proudů sniacutežiacute na polovinu
( )mmicroωρδ
sdotsdot= 2
(11)
kde micro = micro0 micror
Vyacuteraz (11) je třeba uvažovat při řešeniacute energie pohlceneacute nebo odraacuteženeacute z hlediska volby
frekvence vysiacutelaneacute energie neboť
( )12 minussdotsdot= sfπω (12)
Druhou skupinu tvořiacute objekty ktereacute do sveacuteho okoliacute nějakou formou energii vyzařujiacute
Vyzařovanaacute energie může byacutet
bull akustickaacute (lokalizovaacuteniacute polohy ponorek)
bull elektromagnetickaacute (vyzařovaacuteniacute většiny elektrickyacutech zařiacutezeniacute točivyacutech i netočivyacutech
lokalizovaacuteniacute letadel ndash systeacutem TAMARA)
bull tepelnaacute (termovize tepelneacute navaacuteděniacute řiacutezenyacutech střel)
bull gama zaacuteřeniacute (vyhledaacutevaacuteniacute izotopů)
Zvlaacuteštniacutem přiacutepadem je situace kdy hledanyacute objekt i detektor jsou pasivniacute a k detekci je
využiacutevaacutena změna energie z ciziacuteho zdroje Konkreacutetniacutem přiacutepadem je přiacutestroj nazyacutevanyacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
12
magnetometr kteryacute detekuje objekty na zaacutekladě změny intenzity magnetickeacuteho pole země
vyvolaneacute hledanyacutem objektem Deformaci magnetickeacuteho pole země nezpůsobujiacute pouze kovy
ale i jineacute nehomogenity jako jsou jeskyně dutiny nebo remanentniacute magnetickeacute pole [2]
2 Principy aktivniacutech elektromagnetickyacutech detektor ů kovu
Pro detekci jsou obecně využiacutevaacuteny změny sniacutemaneacute veličiny ktereacute jsou způsobeny
hledanyacutem předmětem materiaacutelem Při vyhledaacutevaacuteniacute objektů elektromagnetickyacutem polem se
využiacutevaacute dvou materiaacutelovyacutech vlastnostiacute způsobujiacuteciacute jeho deformaci Zaprveacute je to deformace
pole feromagnetickyacutem materiaacutelem (např permaloy ferit železo) jehož magnetickaacute vodivost
převyšuje vodivost elektrickou a způsobuje soustředěniacute siločar pole do objektu obr 21
Obr 21 Feromagnetickyacute objekt Obr 22 Neferomagnetickyacute objekt
Materiaacutely u kteryacutech převyšuje elektrickaacute vodivost nad magnetickou (např měď hliniacutek)
uplatňujiacute druhyacute princip a tiacutem je deformace původniacuteho pole polem sekundaacuterniacutem Sekundaacuterniacute
pole vznikaacute viacuteřivyacutemi proudy naindukovanyacutemi ve vodiveacutem předmětu vystaveneacutemu původniacutemu
poli Ze zaacutekona o zachovaacuteniacute energie plyne že sekundaacuterniacute pole působiacute proti původniacutemu
Naacutesledkem tohoto jevu dojde k obtečeniacute objektu siločarami původniacuteho vyzařovaneacuteho pole
obr 22 [3]
21 Princip balan čniacutech detektor ů Většina průmyslovyacutech detektorů kovu pracuje na balančniacutem principu podrobnyacute popis
ostatniacutech principů je uveden napřiacuteklad ve [3]
Tento princip je založen na vyvaacuteženyacutech (vybalancovanyacutech) ciacutevkaacutech (IB ndash Induction
Balance) Z toho plyne že hledaciacute sonda je složena z minimaacutelně dvou ciacutevek popřiacutepadě dvou
systeacutemů ciacutevek z nichž jeden je vysiacutelaciacute a druhyacute pracuje jako přijiacutemač (Transmitter Receiver
ndash TR) Tyto detektory byacutevajiacute označovaacuteny TR-IB V přiacutepadě dvou ciacutevek je přijiacutemaciacute ciacutevka
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
13
umiacutestěna vzhledem k vysiacutelaciacute ciacutevce tak že naindukovaneacute napětiacute při nepřiacutetomnosti kovu je
rovno nule tzv uspořaacutedaacuteniacute překryacutevanyacutech ciacutevek tvaru D Stejneacuteho efektu lze dosaacutehnou při
pozici ciacutevek vzaacutejemně pootočenyacutech o 90deg Jestliže je na straně přiacutejmu soustava dvou ciacutevek
umiacutestiacute se vzhledem k vysiacutelaciacute ciacutevce tak že v nepřiacutetomnosti kovu se do ciacutevek indukuje stejně
velkeacute napětiacute ktereacute se mezi sebou odečte Rozdiacutelu obou napětiacute na přijiacutemaciacutech ciacutevkaacutech je roven
nule (obr 23)
Obr 23 Uspořaacutedaacuteniacute systeacutemu ciacutevek Jakaacutekoliv deformace pole vysiacutelaciacute ciacutevky maacute za naacutesledek porušeniacute rovnovaacutehy a na přijiacutemaciacute
straně se objeviacute napětiacute indikujiacuteciacute přiacutetomnost kovu Indukovaneacute napětiacute v přijiacutemaciacute ciacutevce lze
matematicky popsat vztahem (21)
( )ϕω +sdotsdot= tAU sin (21)
kde A amplituda signaacutelu
ω uacutehlovaacute frekvence signaacutelu
φ faacutezovyacute posuv oproti vysiacutelaneacutemu signaacutelu
Pokud se pod ciacutevkami nachaacuteziacute elektricky vodivyacute objekt z neferomagnetickeacuteho
materiaacutelu je pole deformovaacuteno sekundaacuterniacutem polem způsobenyacutem viacuteřivyacutemi proudy ktereacute
působiacute proti poli původniacutemu Pak přijiacutemaneacute napětiacute UPN v přijiacutemaciacute ciacutevce bude miacutet maximaacutelniacute
hodnotu v okamžiku největšiacute změny vysiacutelaneacuteho napětiacute UV V přiacutepadě indikace
feromagnetickeacuteho materiaacutelu je indukovaneacute napětiacute UPF ve faacutezi s vysiacutelaciacutem napětiacutem Protože je
v praxi nemožneacute dosaacutehnout absolutniacuteho vyvaacuteženiacute ciacutevek bude v přijiacutemaciacute ciacutevce vždy nějakeacute
maleacute napětiacute Na obr 24 jsou ideaacutelniacute přijiacutemaneacute signaacutely pro různeacute druhy kontaminantů U
obecnyacutech materiaacutelů se ve skutečnosti uplatňujiacute jak feromagnetickeacute vlastnosti tak vodivostniacute
Z tohoto důvodu bude miacutet napětiacute UP indukovaneacute v přijiacutemaciacute ciacutevce faacutezovyacute posuv oproti
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
14
vysiacutelaneacutemu v intervalu
20π
[2]
Obr 24 Průběhy napětiacute UV ndash vysiacutelaneacute napětiacute UPF ndash ideaacutelniacute přijiacutemaneacute napětiacute (feromagnetickyacute materiaacutel) UPN ndash ideaacutelniacute přijiacutemaneacute napětiacute (neferomagnetickyacute materiaacutel) UP ndash skutečneacute přijiacutemaneacute napětiacute [2]
Existujiacute různeacute možnosti dociacuteleniacute nuloveacuteho klidoveacuteho přenosu mezi ciacutevkami Zaprveacute
prostorovyacutem odděleniacutem kdy osy ciacutevek mezi sebou sviacuterajiacute uacutehel 90deg vysiacutelaciacute ciacutevka je uložena
svisle a přijiacutemaciacute ciacutevka vodorovně obr 25 Tyto detektory byly nazyacutevaacuteny bdquoTwo boxldquo [2]
Obr 25 Princip prostoroveacuteho uspořaacutedaacuteniacute 90deg ciacutevek [2]
V druheacutem přiacutepadě jsou obě ciacutevky uloženy vodorovně ale jejich prostoroveacute uspořaacutedaacuteniacute se voliacute
takoveacute aby byla vzaacutejemnaacute indukčnost nulovaacute Toho je dociacuteleno tiacutem že přijiacutemaciacute ciacutevkou
U (V)
t (s)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
15
prochaacuteziacute stejneacute množstviacute siločar vysiacutelaciacute ciacutevky v jednom i druheacutem směru a tiacutem dochaacuteziacute ke
kompenzaci (vyrušeniacute) jejich uacutečinku obr 26
Obr 26 Princip prostoroveacuteho uspořaacutedaacuteniacute překryacutevajiacuteciacutech se ciacutevek [2]
Společnosti vyraacutebějiacuteciacute průmysloveacute detektory kovů majiacute většinou sveacute specifickeacute uspořaacutedaacuteniacute
ciacutevek
Obr 27 Viacutece ciacutevkoveacute uspořaacutedaacuteniacute detektoru společnosti Ad controls sro a jeho skutečneacute provedeniacute [4]
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
16
Obr 28 Třiacute ciacutevkoveacute uspořaacutedaacuteniacute detektoru společnosti Loma Systems sro
Kvalita detektoru je daacutena předevšiacutem ciacutevkovou soustavou a neměnnostiacute jejiacutech vlastnostiacute a daacutele
volbou pracovniacuteho kmitočtu Špičkou mezi dnešniacutemi detektory jsou zařiacutezeniacute umožňujiacuteciacute
činnost při různyacutech budiacuteciacutech kmitočtech Vyacutehodou těchto systeacutemů je možnost použiacutevat viacutece
zařiacutezeniacute bliacutezko u sebe a hlavně možnost použitiacute různyacutech frekvenciacute pro rozdiacutelneacute produkty s
ohledem na citlivost a kvalitu detekce
3 Zařiacutezeniacute spole čnosti Loma Systems sro Podmiacutenkou k dalšiacute vyacutevojoveacute činnosti je podrobnaacute znalost vyraacuteběnyacutech zařiacutezeniacute a
vyacuterobniacutech technologiiacute v daneacutem podniku
Obr 31 Detektor kovů IQ3 s dotykovyacutem ovlaacutedaacuteniacutem společnosti Loma Systems sro [1]
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
17
31 Obecneacute informace Jsou vyraacuteběny dva typy detektorů ktereacute pracujiacute na stejneacutem principu ale lišiacute se
vysiacutelaciacutemi průběhy budiacuteciacuteho napětiacute a možnostiacute pracovat na různyacutech kmitočtech
Staršiacute model označenyacute jako IQ2 je vyraacuteběnyacute ve třech variantaacutech jako farmaceutickyacute
detektor detektor s volnyacutem propadem produktu nebo detektor s produktem dopravovanyacutem
potrubiacutem Posledniacute dva jmenovaneacute jsou takeacute vyraacuteběny na zaacutekladě technologie IQ3 Tento
systeacutem umožňuje činnost detektoru na různyacutech budiacuteciacutech kmitočtech a je použit hlavně u
dopravniacutekovyacutech detektorů Detektor IQ2 pracuje na neměnneacute frekvenci 1 MHz
Dopravniacutekoveacute detektory jsou vyraacuteběny ve dvou variantaacutech normaacutelniacute (detekčniacute otvor
maacute stěny opatřeneacute vrstvou modreacuteho epoxidu) a detektory pro extreacutemně nepřiacutezniveacute podmiacutenky
(stěny detekčniacuteho otvoru jsou pokryty odolnyacutem plastem) ktereacute odolaacutevajiacute i vysokotlakeacutemu
vodniacutemu čištěniacute Obě varianty jsou vhodneacute i pro použitiacute v potravinaacuteřskeacutem průmyslu
Všechny detektory jsou schopny pracovat při siacuteťoveacutem napětiacute 110115200220230 V
50 nebo 60 Hz 1f 380400 V 5060 Hz 3f a majiacute stupeň krytiacute IP 69K což umožňuje uacutedržbu
vysokotlakyacutemi vodniacutemi čističi Ovlaacutedaacuteniacute a komunikace s detektorem je zajištěna LCD
displejem s tlačiacutetky nebo displejem dotykovyacutem Každyacute detektor je vybaven releacuteovyacutemi
vyacutestupy jimiž je možno ovlaacutedat chod dopravniacuteku vyřazovaciacute systeacutem signalizačniacute lampy či
klakson
Detektor jako takovyacute se sklaacutedaacute z jedneacute čaacutesti kde je jak samotnyacute detekčniacute otvor tak i
veškeraacute elektronika Detekčniacute otvor tvořiacute jaacutedro z tvrzeneacuteho papiacuteru (Tufnol) do ktereacuteho jsou
vlepeny vodiče ciacutevek Stěny detekčniacuteho otvoru jsou opatřeny modryacutem epoxidem nebo biacutelyacutem
polyethylenem (Acetal) kteryacute maacute většiacute mechanickou odolnost Celeacute zařiacutezeniacute je uzavřeno v
obalu z nerezoveacute oceli ANSI 304 (DIN 14301) tloušťky 3 mm Prostor mezi jaacutedrem a
nerezovyacutem obalem je vyplňovaacuten pěnivyacutem epoxidem
Elektronika detektoru obsahuje tři desky plošnyacutech spojů a ovlaacutedaciacute displej Hlavniacute
čaacutestiacute je řiacutediacuteciacute deska (Control board) na ktereacute se nachaacuteziacute blok napaacutejeciacuteho zdroje
vyhodnocovaciacute obvody paměti AD převodniacuteky signaacutelu a vstupniacutevyacutestupniacute obvody Dalšiacutemi
čaacutestmi jsou vysiacutelaciacute deska (Transmitter board) a deska přijiacutemače (Receiver board)
32 Vysiacutelaciacute čaacutest - Tx Postupneacute upouštěniacute od vyacuteroby zastaraleacute verze detektorů IQ2 je důvodem pro zaměřeniacute
teacuteto praacutece na detektory IQ3 Systeacutem IQ3 je multifrekvenčniacute založenyacute na balančniacutem principu
Oproti standardniacutem balančniacutem detektorům je zde vysiacutelaciacute ciacutevka buzena nespojityacutem signaacutelem
Vyacutehodou použitiacute tohoto signaacutelu je snadnaacute změna frekvence možnost řiacutezeniacute vysiacutelaciacuteho vyacutekonu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
18
a celkoveacute zvyacutešeniacute kvality detekce neboť rychlyacutem změnaacutem budiacuteciacuteho proudu odpoviacutedaacute velkaacute
změna magnetickeacuteho indukčniacuteho toku Dle Faradayova indukčniacuteho zaacutekona je velikost
indukovaneacuteho napětiacute daacutena rychlostiacute změny magnetickeacuteho indukčniacuteho toku (31)
tU i ∆
∆Φminus= (31)
Činnost Tx boardu (vysiacutelaciacute desky) je řiacutezena mikrokontrolerem kteryacute komunikuje s
Control boardem seacuteriovyacutem rozhraniacutem Deska umožňuje kontrolu napaacutejeniacute vysiacutelaciacuteho proudu
teploty a přiacutepadneacute přerušeniacute Tx vinutiacute (vysiacutelaciacute ciacutevky) Mikrokontroler řiacutediacute jak vysiacutelaciacute
průběh tak vyhodnocovaciacute obvody ktereacute jsou na Rx boardu (přijiacutemaciacute deska)
Na Tx board jsou přivaacuteděna napětiacute 12 V -12 V proti zemi použiacutevanaacute k buzeniacute Tx
vinutiacute Z kladneacuteho napětiacute se daacutele ziacuteskaacutevaacute napětiacute 33 V a 18 V pro napaacutejeniacute ostatniacutech obvodů
Budiacuteciacute signaacutel je kvůli požadovaneacutemu vysokeacutemu pulsniacutemu vyacutekonu odebiacuteraacuten z kondenzaacutetoroveacute
baterie Velikost odebiacuteraneacuteho proudu je měřena operačniacutem zesilovačem zapojenyacutem jako
převodniacutek IU
Vyacutekonovaacute čaacutest Tx boardu je tvořena čtyřmi MOSFET tranzistory řiacutezenyacutemi
mikrokontrolerem Vyacutekonoveacute tranzistory T1 až T4 jsou zapojeny dle obr 32
Obr 32 Zapojeniacute koncoveacute čaacutesti vysiacutelače
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
19
Vysiacutelaciacute ciacutevka je tvořena pouze jedniacutem zaacutevitem Cu draacutetu ϕ 1 mm jeho indukčnost a kapacita
je vzhledem k jeho vodivosti zanedbatelnaacute a při nižšiacutech frekvenciacutech se tedy chovaacute jako zkrat
Pokud je časovyacute posuv mezi U1 a U2 roven nule pak napětiacute UTX je takeacute rovno nule a Tx
ciacutevkou neteče žaacutednyacute proud obr 33
-12
-8
-4
0
4
8
12
16U1 (V)
-16
-12
-8
-4
0
4
8
12
16
000E+00 100E-05 200E-05 300E-05 400E-05 500E-05 600E-05
čas (s)
U2 (V)
Obr 331 Průběhy signaacutelů U1 a U2 přivaacuteděnyacutech na vyacutevody Tx vinutiacute V detektoru by se dala naměřit pouze elektrickaacute složka pole odpoviacutedajiacuteciacute původniacutemu signaacutelu
Pro detekci kovu je však důležiteacute elektromagnetickeacute pole kteraacute vznikaacute průchodem proudu
vinutiacutem Proudoveacuteho impulsu je dosaženo časovyacutem posunem mezi napětiacutemi U1 a U2
přivaacuteděnyacutemi na svorky Tx vinutiacute V tomto přiacutepadě potečou zkratoveacute proudoveacute pulsy
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
20
odpoviacutedajiacuteciacute připojeneacutemu napětiacute UTX viz obr 34 Vyacutekon detektoru je tedy řiacutezen časovyacutem
posunem mezi průběhy napětiacute U1 a U2 Tomuto časoveacutemu posuvu pak odpoviacutedaacute i velikost
odebiacuteraneacuteho proudu do Tx vinutiacute
-12
-8
-4
0
4
8
12
16U1 (V)
-12
-8
-4
0
4
8
12
16U2 (V)
000E+00 100E-05 200E-05 300E-05 400E-05 500E-05 600E-05
Čas (s)
I (A)
Obr 34 Časově posunutaacute napětiacute U1 U2 přivaacuteděnaacute na vyacutevody Tx vinutiacute a průběh proudu I v Tx vinutiacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
21
33 Přijiacutemaciacute čaacutest - Rx Zaacutekladem přijiacutemaciacute čaacutesti je soustava složenaacute ze dvou paralelně spojenyacutech Rx ciacutevek
podle obr 35 každaacute se dvěma zaacutevity U tohoto uspořaacutedaacuteniacute hraje důležitou roli smysl vinutiacute
Rx ciacutevek (označeniacute počaacutetku a konce vinutiacute) a jejich přesnaacute poloha Tx musiacute prochaacutezet přesně
v jedneacute polovině vzdaacutelenosti l
Obr 35 Geometrickeacute uspořaacutedaacuteniacute je voleno tak že pokud neprochaacuteziacute detektorem kontaminant napětiacute
indukovaneacute napaacutejenou ciacutevkou Tx do Rx ciacutevek je minimaacutelniacute
Jak bylo řečeno v kapitole 32 pro detekci kovu je podstatneacute elektromagnetickeacute pole
Elektrickeacute pole je odstraněno na primaacuterniacutem vinutiacute vstupniacuteho transformaacutetoru TR s dvojityacutem
primaacuterniacutem vinutiacutem zapojenyacutem proti sobě v poměru k sekundaacuterniacutemu vinutiacute 1+130 umiacutestěnyacutem
na Rx boardu Na obraacutezku 36 je zapojeniacute vstupniacuteho obvodu Rx boardu Elektrickaacute složka
pole maacute vůči zemi na obou vyacutevodech Rx ciacutevek stejnyacute průběh Primaacuterniacute vinutiacute TR maacute
vyvedenyacute střed na zem čiacutemž se elektrickaacute složka pole uzemniacute (teče proud) Protože jsou
Rx1 ciacutevka
Rx2 ciacutevka
Tx ciacutevka
l
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
22
průběhy na obou vyacutevodech stejneacute magnetickeacute toky v TR vyvolaneacute proudem působiacute proti sobě
a na sekundaacuterniacute vinutiacute se neindukuje žaacutedneacute napětiacute Dojde-li k narušeniacute magnetickeacuteho pole
uvnitř detekčniacuteho prostoru vznikaacute rozdiacutel naindukovaneacuteho napětiacute v leveacutem a praveacutem vodiči Rx
ciacutevky Tento rozdiacutel napětiacute maacute za naacutesledek tok proudu kteryacute se uzaviacuteraacute přes primaacuterniacute vinutiacute
TR1 a indukuje napětiacute na sekundaacuterniacute straně Toto napětiacute je daacutele zpracovaacutevaacuteno
Obr 36 Vstupniacute obvod Rx boardu
34 Princip vyhodnocovaacuteniacute Signaacutel na sekundaacuterniacutem vinutiacute transformaacutetoru TR je zpracovaacutevaacuten blokem obvodů pro
uacutepravu signaacutelu Ten obsahuje aktivniacute filtr a integračniacute člen s niacutezko-šumovyacutem operačniacutem
zesilovačem Za integračniacutem členem je měřiciacute bod kteryacute je využit při oživovaacuteniacute detektorů
Napětiacute Ub (balance signal) v tomto bodě se zobrazuje na osciloskopu a jeho maximaacutelniacute
hodnota by neměla přesaacutehnout 6 V špička - špička Čiacutem je rozkmit toho napětiacute nižšiacute tiacutem lze
dosaacutehnout vyššiacute citlivosti detektoru (kap 35 Vyvažovaacuteniacute detektoru) Nuloveacuteho rozkmitu
nelze dosaacutehnout mimo jineacute kvůli vyacuterobniacutem toleranciacutem zařiacutezeniacute a nehomogenitaacutem Citlivost
elektronickyacutech čaacutestiacute je velmi vysokaacute a uplatňujiacute se rušiveacute vlivy při jejich činnosti (vliv
teploty mechanickeacute chvěniacute) Napětiacute Ub odpoviacutedaacute vyrovnaacutevaciacutemu proudu v Rx ciacutevkaacutech
Přiacuteklad jeho průběhu bez kontaminantu je na obr 37
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
23
Obr 37 Přiacuteklad průběhu napětiacute Ub
Napětiacute Ub je přivaacuteděno na dva samostatneacute elektronickeacute obvody (řiacutezeneacute usměrňovače)
ovlaacutedaneacute řiacutediacuteciacutemi napětiacutemi z mikrokontroleru (na Tx boardu) Dvě řiacutediacuteciacute napětiacute jednoho
usměrňovače jsou vůči sobě o π posunuty a zaacuteroveň jsou posunuty o π2 proti dvěma řiacutediacuteciacutem
napětiacutem druheacuteho usměrňovače Vyacutesledkem jsou dva napěťoveacute signaacutely (P a Q) ktereacute jsou daacutele
zpracovaacutevaacuteny (integrace zesiacuteleniacute) s možnostiacute ručniacute volby zesiacuteleniacute ve čtyřech stupniacutech
(ovlaacutedaacuteniacute citlivosti detektoru) Tyto signaacutely jsou již nositelem informace a jsou na Control
boardu převedeny do digitaacutelniacute podoby Takto upraveneacute signaacutely jsou vyhodnocovaacuteny
algoritmy v hlavniacutem mikrokontroleru
35 Vyvažovaacuteniacute detektoru Zaacutekladem kvalitniacute a stabilniacute detekce je ciacutevkovyacute systeacutem Aby se dosaacutehlo co nejlepšiacuteho
vyvaacuteženiacute ciacutevek je nutnaacute přesnaacute bytelnaacute a rozměrově staacutelaacute konstrukce Detektory společnosti
Loma Systems sro majiacute ciacutevky uloženeacute ve vyfreacutezovanyacutech draacutežkaacutech a zajištěneacute epoxidovyacutem
lepidlem I přes to je detektor po osazeniacute elektronikou značně nevyvaacuteženyacute balančniacute napětiacute Ub
překračuje požadovanou hodnotu 6 V špička - špička natolik že může dojiacutet i k saturaci
elektronickyacutech obvodů Je tedy nutneacute ciacutevkovyacute systeacutem vyvaacutežit (vybalancovat)
Nejprve se provede hrubeacute laděniacute spočiacutevajiacuteciacute v tvarovaacuteniacute maleacute smyčky Tx vinutiacute v čele
detektoru obr 38
0 T2 T
25 V Ub
-25 V
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
24
Obr 38 Vyvažovaciacute očko na Tx vinutiacute a vlepenyacute pliacutešek uvnitř detekčniacuteho otvoru
Tato smyčka plniacute funkci kompenzačniacuteho vinutiacute po natvarovaacuteniacute je očko zaliteacute epoxidovyacutem
lepidlem U detektorů s vnitřniacute uacutepravou detekčniacuteho otvoru modryacutem epoxidem se do
detekčniacuteho otvoru daacutele vlepujiacute vyvažovaciacute pliacutešky různyacutech tvarů a velikostiacute (od 1 cm2 do 4
cm2) obr 38 ktereacute se naacutesledně zalijiacute do roviny modryacutem epoxidem Jako materiaacutel
vyvažovaciacutech pliacutešků je použita nerezovaacute ocel ANSI 304 (DIN 14301) tloušťky 2 mm Druhyacute
typ detektorů s odolnyacutem plastovyacutem povrchem (typ US) neumožňuje vlepovaacuteniacute pliacutešků
dovnitř detekčniacuteho otvoru Balancovaacuteniacute se tedy provaacutediacute přesnějšiacutem tvarovaacuteniacutem Tx očka
popřiacutepadě vlepovaacuteniacutem pliacutešků v jeho okoliacute
Pro jemneacute doladěniacute se u obou těchto variant (US typ a klasickyacute s modrou epoxidovou
vyacuteplniacute detekčniacuteho otvoru) osazujiacute balančniacute moduly obr 39 ktereacute na plastoveacutem otočneacutem diacutelu
majiacute tuning block o rozměrech cca 05 cm2 z 5 mm tlusteacuteho nerezu Oba balančniacute moduly
umožňujiacute pohyb tuning blocku v okoliacute vyvažovaciacuteho očka
Obr 39 Balančniacute moduly i s kryciacutemi plechy vlevo US vpravo klasickyacute
Tyto moduly nejsou přiacuteliš efektivniacute a sloužiacute pouze k miacuterneacutemu vyvaacuteženiacute Použiacutevajiacute se dva typy
Tuning block
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
25
těchto modulů podle varianty vnitřniacute vyacuteplně detektoru (US typ a klasickyacute s modrou
epoxidovou vyacuteplniacute detekčniacuteho otvoru) Jedniacutem z přijatyacutech naacutevrhů pro vylepšeniacute detektorů s
modrou epoxidovou vyacuteplniacute je použitiacute stejneacuteho balančniacuteho modulu jako u detektoru typu US
Vyacuterobniacute cena US balančniacuteho modulu je podstatně nižšiacute a umožňuje změnu polohy
vyvažovaciacuteho diacutelu nejen po obvodu kružnice ale i změnu vzdaacutelenosti mezi rovinami očka a
tuning bloku Změna teacuteto vzdaacutelenosti se využije v přiacutepadě kdy po osazeniacute detektoru s modrou
epoxidovou pryskyřiciacute balančniacutem modulem dojde ke zhoršeniacute vyvaacuteženiacute ktereacute pouhyacutem
natočeniacutem po kružnici nelze vykompenzovat Použiacutevaacuteniacutem pouze balančniacuteho modulu typu
US by se dosaacutehlo sniacuteženiacute počtu součaacutestek ve vyacuterobniacutem procesu sniacuteženiacute naacutekladů na vyacuterobu
detektoru s modrou epoxidovou vyacuteplniacute detekčniacuteho prostoru a odstranil by se i probleacutem
vznikajiacuteciacute při osazeniacute těchto detektorů balančniacutemi moduly
Dalšiacute naacutevrh se tyacutekal materiaacutelu použiteacuteho na tuning block Snahou bylo zvyacutešit vliv
tuning bloku natolik aby bylo možneacute vynechat kompenzačniacute očko čiacutemž by došlo k urychleniacute
laděniacute Byly testovaacuteny materiaacutely FeNi47ln5 tloušťky 03 mm a FeNi42 tloušťky 04 mm Byl
zvolen tvar kteryacute umožňoval použitiacute staacutevajiacuteciacutech US modulů obr 310 Vliv tuning blocků
se sice zvyacutešil nicmeacuteně ne natolik aby mohlo byacutet vyvažovaciacute očko zcela vynechaacuteno
Obr 310 Prototypy tuning blocků z novyacutech materiaacutelů
36 Vyacutestupniacute kontrola Před samotnou expediciacute detektoru je nutneacute proveacutest kontrolu detekce Kvalita detekce
je ověřovaacutena třemi typy kontaminantů neželeznyacute - NONFE (mosaz) železnyacute - FE (chromovaacute
ocel) a nerezovyacute - SS (ANSI 304) K tomu jsou určeny přiacutepravky na obr 311 a 312 Jednaacute
se o kuličky definovanyacutech průměrů ktereacute jsou zaliteacute v plastovyacutech tyčinkaacutech opatřenyacutech
rozměrovou specifikaciacute kontaminantu Barva tyček odlišuje použityacute typ kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
26
Obr 311 Testovaciacute vzorky pro dopravniacutekoveacute detektory
Obr 312 Testovaciacute vzorky pro farmaceutickeacute detektory
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
27
4 Optimalizace a stiacuten ěniacute detektoru Jedniacutem z bodů teacuteto praacutece je navrženiacute optimalizaciacute průmysloveacuteho detektoru kovu z
hlediska kvality detekce a vyšetřeniacute elektromagnetickeacuteho pole s ohledem na rušiveacute vlivy Z
počaacutetku byly provaacuteděny pokusy se stiacuteněniacutem ciacutevek s ohledem na rušeniacute vnějšiacutem
elektromagnetickyacutem polem Prvniacute uacutevahy vedly k použitiacute stiacuteniacuteciacuteho materiaacutelu s velkou
permeabilitou kteryacute by do sebe soustředil většiacute množstviacute indukčniacutech čar unikajiacuteciacutech do okoliacute
a tiacutem omezil vnějšiacute rušeniacute Na zaacutekladě teacuteto uacutevahy byly testovaacuteny dva materiaacutely FeNi47ln5
tloušťky 03 mm a FeNi42 tloušťky 04 mm ktereacute mohou dosahovat relativniacute permeability až
micror_12106 [5] Těmito pokusy se sice sniacutežilo množstviacute indukčniacutech čar magnetickeacuteho pole
unikajiacuteciacuteho z detektoru ale vlivem přiacuteliš velkeacute permeability bylo ovlivněno i pole uvnitř
detekčniacuteho prostoru kde došlo ke sniacuteženiacute citlivosti Tento naacutevrh měl dalšiacute negativniacute faktory
jako je vysokaacute cena použityacutech materiaacutelů a omezeneacute vyacuterobniacute možnosti nedostačujiacuteciacute šiacuteřkou
paacutesů což by vedlo ke sklaacutedaacuteniacute plechů vedle sebe a tiacutem ke vzniku nehomogenit
Aby byly optimalizace efektivniacute je třeba znaacutet rozloženiacute elektromagnetickeacuteho pole
uvnitř detektoru a vlivy ktereacute na něj působiacute Proto bylo přistoupeno k využitiacute počiacutetačoveacuteho
softwaru Ansys Jednaacute se o profesionaacutelniacute software založenyacute na metodě konečnyacutech prvků Je
určen předevšiacutem pro simulace mechanickeacuteho namaacutehaacuteniacute ale umožňuje i řešeniacute teplotniacutech
elektromagnetickyacutech a sdruženyacutech poliacute [6] Ansys byl vybraacuten předevšiacutem pro možnost řešeniacute i
3D probleacutemů V teacuteto praacuteci bylo z důvodů vyacutepočetniacute naacuteročnosti a velkeacuteho množstviacute
jednotlivyacutech vyacutepočtů přistoupeno k řešeniacute probleacutemu pouze ve dvourozměrneacutem prostoru V
tomto přiacutepadě je řešeno nestacionaacuterniacute magnetickeacute pole ktereacute popisuje rovnice (41) [7]
( ) extr JArotdt
dABArotrot =timesminus+
minus γυγmicro1
(41)
kde
BArot = (42)
A magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel
micro permeabilita
Br remanentniacute indukce
B magnetickaacute indukce
γ měrnaacute elektrickaacute vodivost
ν rychlost pohybu tělesa v magnetickeacutem poli
Jext vektor vnějšiacute proudoveacute hustoty
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
28
41 Vyšet řovaacuteniacute vlivu pozice Rx vinutiacute Nejprve byly provedeny simulace staacutevajiacuteciacuteho zařiacutezeniacute o rozměrech detekčniacuteho otvoru
150 mm x 350 mm Zaacutekladniacute geometrie probleacutemu je na obraacutezku 41 Pro řešeniacute zaacutekladniacuteho
probleacutemu by bylo možneacute použiacutet symetrii modelu pokud však model doplniacuteme o kontaminant
možnost teacuteto symetrie odpadaacute Byly provedeny tři seacuterie vyacutepočtů ktereacute se lišily materiaacutelem
kontaminantu Každaacute seacuterie se sklaacutedala z 24 samostatnyacutech vyacutepočtů ve kteryacutech se postupně
měnila pozice kontaminantu tak jako je tomu při skutečneacute situaci na dopravniacutem paacutesu
Použityacutem APDL skriptem by bylo možneacute řešit i průchody kontaminantu v různyacutech vyacuteškaacutech
detekčniacuteho otvoru Pro potřeby těchto vyacutepočtů byl průchod zvolen středem jelikož je zde
citlivost detektoru nejnižšiacute Nutno poukaacutezat na skutečnost že kontaminant reprezentovanyacute
kružniciacute v řezu detektoru nelze považovat za kulovyacute nyacutebrž za vodič kruhoveacuteho průřezu
stejneacute deacutelky jako Tx respektive Rx vinutiacute Rozmeziacute pohybu kontaminantu bylo od -230 mm
do 230 mm vůči Tx vinutiacute s krokem 20 mm Obdeacutelniacuteky v okoliacute Tx vinutiacute byly vytvořeny za
uacutečelem možnosti zjemněniacute vyacutepočetniacute siacutetě v prostoru Tx a Rx vinutiacute Na obraacutezku 41 nejsou
namodelovaacuteny Rx ciacutevky neboť hodnota naindukovaneacuteho napětiacute byla ziacuteskaacutevaacutena v pěti
různyacutech vyacuteškovyacutech poziciacutech a bylo hodnoceno indukovaneacute napětiacute Ui
Obr 41 Zaacutekladniacute geometrie
nerezovyacute kryt
vodiče Tx vinutiacute
kontaminant
obdeacutelniacuteky vzduchoveacuteho okoliacute s jemnějšiacute vyacutepočetniacute siacutetiacute střed souřadneacuteho
systeacutemu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
29
411 Preprocessing - p řiacuteprava skriptu Nejprve bylo nutneacute zjistit geometrickeacute rozměry a materiaacuteloveacute konstanty zkoumaneacuteho
detektoru Geometrickeacute rozměry byly ziacuteskaacuteny z databaacuteze Solidworks modelů společnosti
Loma Systems sro V kapitole 71 je uacuteryvek APDL skriptu pro tvorbu geometrie
Materiaacutely použiteacute v modelu jsou vzduch vodiče Tx vinutiacute nerezovyacute obal detektoru a
materiaacutely kontaminantů V raacutemci zjednodušeniacute modelu nebyly uvažovaacuteny PVC izolace Tx
vinutiacute samotneacute Tufneloveacute jaacutedro a materiaacutel s niacutemž je prostor mezi jaacutedrem a nerezovyacutem
krytem vyplněn neboť tyto materiaacutely vykazujiacute z pohledu šiacuteřeniacute elektromagnetickeacuteho pole
stejneacute vlastnosti jako vzduch Konkreacutetniacute hodnoty materiaacutelovyacutech konstant viz tabulka 41
odpor Tx vinutiacute nebyl uvažovaacuten neboť jeho plochy byly zatiacuteženy definovanou proudovou
hustotou tudiacutež neniacute možneacute uvažovat přiacutepadně naindukovaneacute viacuteřiveacute proudy Daacutele bylo nutneacute
zvolit a spraacutevně nastavit použiteacute elementy modelu
Tab 41 Materiaacuteloveacute vlastnosti
měrnaacute
permeabilita [-] měrnyacute elektrickyacute
odpor [Ωm]
vzduch 1 -
Tx vinutiacute 1 -
nerezovaacute ocel (ANSI 304 DIN 14301)
1008 [10] 72010-7
neželeznyacute kontaminant (mosaz)
1 75010-8
železnyacute kontaminant (chromovaacute ocel)
400 12010-7
nerezovyacute kontaminant (ANSI 304 DIN 14301) 1008 72010-7
Jako elementy daneacuteho modelu byly zvoleny elementy PLANE53 určeneacute pro řešeniacute
magnetickeacuteho pole Jednaacute se o osmi uzloveacute elementy ktereacute mohou miacutet až čtyři stupně
volnosti na uzel Stupně volnosti mohou byacutet magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel (AZ) časově
integrovanyacute elektrickyacute skalaacuterniacute potenciaacutel (VOLT) elektrickyacute proud (CURR) a
elektromotorickaacute siacutela (EMF) [6] Geometrie elementu na obr 42
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
30
Obr 42 Geometrie elementu PLANE53 [6]
Uacuteryvek koacutedu v kapitole 72 obsahuje definovaacuteniacute materiaacutelovyacutech vlastnostiacute definovaacuteniacute
elementů a jejich nastaveniacute V dalšiacute časti bylo nutneacute jednotliveacute materiaacutely a elementy přiřadit
danyacutem plochaacutem
Daacutele bylo zapotřebiacute nastavit atributy pro automatickeacute siacuteťovaacuteniacute oblasti Je nutneacute aby v
tenkyacutech a malyacutech plochaacutech byla vyššiacute hustota siacutetě než na velkyacutech plochaacutech kde postačuje siacuteť
řidšiacute Velmi důležitaacute je kompatibilita siacutetě proto byla v okoliacute Tx vodičů vytvořena
obdeacutelniacutekovaacute oblast s hustšiacute siacutetiacute viz uacuteryvek koacutedu v přiacuteloze 73
Obr 43 Detailniacute pohled na siacuteť elementů
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
31
V posledniacute čaacutesti preprocessingu byla definovaacutena Dirichletova okrajovaacute podmiacutenka
udaacutevajiacuteciacute magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel roven nule na vnějšiacute hrany vzduchoveacuteho okoliacute a
průběh budiacuteciacute proudoveacute hustoty v Tx vodičiacutech V horniacutem a dolniacutem vodiči měly toky opačnyacute
smysl proto bylo nutneacute vytvořit dva vektory hodnot J1 (obr 44) a mJ1 V posledniacute řadě bylo
provedeno přiřazeniacute průběhů k plochaacutem viz kapitola 74
Obr 44 Průběh proudoveacute hustoty v ploše Tx vodiče
Ansys byl do Solution modu přepnut přiacutekazem SOL kde se provedlo nastaveniacute
analyacutezy a byl spuštěn vyacutepočet viz kapitola 76
412 Postprocessing - ziacuteskaacutevaacuteniacute vyacutesledk ů Ciacutelem teacuteto čaacutesti bylo zjištěniacute průběhů naindukovanyacutech napětiacute Ui v zaacutevislosti na čase
pro různeacute vyacuteškoveacute pozice přijiacutemaciacutech ciacutevek Rx Pro indukovaneacute napětiacute platiacute vztah
( )Vndt
dU i sdotΦminus= (43)
kde
( )TdxBlx
x
Yint sdotsdot=Φ2
1
(44)
n počet zaacutevitů Rx vinutiacute
l deacutelka Rx vinutiacute ve směru osy Z
x1 a x2 šiacuteřka Rx vinutiacute ve směru osy X
BY složka magnetickeacute indukce v ose Y
Zadaacuteniacutem souřadnic dvou bodů se nadefinovala uacutesečka (cesta) na kterou byly s určityacutem
J (Am-2)
kroky vyacutepočtu (-)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
32
krokem zaznamenaacuteny hodnoty magnetickeacute indukce BY Průběh BY v zaacutevislosti na souřadnici X
je na obr 45
Obr 45 Průběh magnetickeacute indukce BY v zaacutevislosti na souřadnici X
Obr 46 Průběh magnetickeacuteho toku Φ v zaacutevislosti na souřadnici X
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
33
Integrovaacuteniacutem průběhu BY se ziacuteskal průběh magnetickeacuteho indukčniacuteho toku Φ obr 46
Magnetickyacute indukčniacute tok Φ je roven určiteacutemu integraacutelu (rovnice 44) průběhu BY obr 45 Z
toho vyplyacutevaacute že magnetickyacute indukčniacute tok je roven posledniacute hodnotě průběhu na obr 46
Tato hodnota se vynaacutesobila deacutelkou Rx vinutiacute Postup vyacutepočtu se opakoval pro všechny pozice
Rx vinutiacute a to v každeacutem kroku transientniacute analyacutezy Tiacutem se ziacuteskala zaacutevislost magnetickeacuteho
indukčniacuteho toku Φ na čase t V programu MS Excel se vynaacutesobil tok počtem zaacutevitů Rx vinutiacute
a byla provedena derivace podle času (rovnice 43) Takto byly zpracovaacuteny vyacutesledky pro
všechny pozice kontaminantu vůči Tx vinutiacute APDL skript pro ziacuteskaacutevaacuteniacute hodnot viz kapitola
76 a v kapitole 77 je vyacutepis makra ktereacute uklaacutedaacute hodnoty do souboru
413 Hodnoceniacute vyacutesledk ů Vypočteneacute hodnoty Ui ve všech pěti vyacuteškovyacutech poziciacutech hrx byly vyneseny do grafů v
zaacutevislosti na čase Pokud se vynesou do jednoho grafu průběhy indukovanyacutech napětiacute pro
každou pozici kontaminantu v daneacute vyacutešce lze sledovat odezvu indukovaneacuteho napětiacute na
polohu kontaminantu Jelikož byly provedeny tři seacuterie vyacutepočtů s různyacutemi kontaminanty lze
porovnat i tvary přijiacutemanyacutech signaacutelu pro jednotliveacute materiaacutely Ciacutelem teacuteto čaacutesti je porovnat
signaacutely ziacuteskaacutevaneacute v různyacutech vyacuteškovyacutech polohaacutech Rx vinutiacute a vybrat nejvhodnějšiacute signaacutel pro
detekci
Na naacutesledujiacuteciacutech grafech jsou znaacutezorněny napěťoveacute průběhy během jedneacute periody v
zaacutevislosti na poloze kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
34
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 47 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 48 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
35
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 49 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 410 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
36
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 411 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 5)
Na obraacutezciacutech 47 až 411 jsou zobrazeny průběhy odpoviacutedajiacuteciacute průchodu železneacuteho
kontaminantu s relativniacute permeablitou 400 a měrnyacutem elektrickyacutem odporem 10210-7 Ωm Na
průběziacutech 47 48 a 411 lze pozorovat sice nižšiacute hodnotu signaacutelu ale celkovaacute deformace
během průchodu kontaminantu je většiacute
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 412 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
37
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 413 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 414 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
38
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 415 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 416 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce5)
Na obraacutezciacutech 412 až 416 jsou zobrazeneacute průběhy odpoviacutedajiacuteciacute průchodu kontaminantu z
nerezu ANSI 304 s relativniacute permeablitou 1008 a měrnyacutem elektrickyacutem odporem 7210-7
Ωm Při porovnaacuteniacute s předchoziacutem kontaminantem je změna signaacutelu nižšiacute což odpoviacutedaacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
39
předpokladům o obtiacutežnějšiacute detekci nerezovyacutech kontaminantů
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 417 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 418 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
40
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 419 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 420 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
41
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 421 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 5)
Na obraacutezciacutech 417 až 421 jsou zobrazeny průběhy odpoviacutedajiacuteciacute neželezneacutemu
kontaminantu (mědi) s parametry relativniacute permeablita 1 a měrnyacute elektrickyacute odpor 7510-8
Ωm Průběh signaacutelu je velmi podobnyacute signaacutelům nerezoveacuteho kontaminantu
Porovnaacuteniacutem všech grafů (obr 47 - obr 422) je obecně vidět že u průběhů ve vyacutešce
3 a 4 je zisk signaacutelu pro všechny modelovaneacute kontaminanty největšiacute Dochaacuteziacute zde ale ke
změně amplitudy pouze v jednom smyslu což z hlediska vyhodnocovaciacutech algoritmů zlepšeniacute
detekce vylučuje Naproti tomu je u signaacutelu ve vyacutešce 5 znatelně vyššiacute amplituda než v
použiacutevaneacute vyacutešce 2 Na zaacutekladě tohoto zjištěniacute bude zhotoven prototyp detektoru za uacutečelem
ověřeniacute teoretickyacutech vyacutesledků
Na obraacutezku 422 je ukaacutezka grafickeacuteho vyacutestupu zobrazujiacuteciacuteho vektory proudoveacute
hustoty naindukovaneacute v nerezoveacutem krytu a v kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
42
Obr 422 Vektory proudovyacutech hustot naindukovanyacutech do kontaminantu a nerezoveacuteho krytu
Obraacutezek 423 zobrazuje kontury magnetickeacuteho pole ve stejneacutem časoveacutem kroku jako obr
422 Pole ktereacute je konturami zobrazeno je tvořeno praacutevě proudovou hustotou obr 422 Je
zde možneacute pozorovat jak se pole deformuje přiacutetomnyacutem kontaminantem
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
43
Obr 423 Kontury magnetickeacuteho vektoroveacuteho potenciaacutelu s viditelnou deformaciacute pole způsobenou
feromagnetickyacutem kontaminantem
42 Vyšet řovaacuteniacute množstviacute vyza řovaneacute energie V teacuteto čaacutesti se vychaacutezelo z předpokladu že intenzita elektromagnetickeacuteho pole uvnitř
detektoru je mnohem většiacute než elektromagnetickyacute šum kteryacute do detektoru vnikaacute z okoliacute
Proto lze předpoklaacutedat že rušeniacute bude způsobeno předevšiacutem deformaciacute vlastniacuteho
vyzařovaneacuteho pole v bliacutezkeacutem okoliacute detektoru To vede ke snaze snižovat množstviacute vlastniacuteho
vyzaacuteřeneacuteho pole ven z detektoru aby nemohlo byacutet deformovaacuteno okolniacutemi předměty
421 Řešeniacute probleacutemu Bylo porovnaacuteno pět variant detektorů bez průchodu kontaminantu Každaacute varianta se
řešila jedniacutem vyacutepočtem z čehož plyne malaacute časovaacute naacuteročnost a proto byly probleacutemy řešeny
bez využitiacute symetrie Prvniacute byl staacutevajiacuteciacute detektor o tloušťce kryciacuteho nerezoveacuteho plechu 3 mm
druhyacute byl stejneacute geometrie ale za použitiacute silnějšiacuteho 5 mm tlusteacuteho nerezu Třetiacute typ měl
tloušťku 3 mm ale na horniacute a dolniacute stěně bylo přidaacuteno dalšiacute stiacuteněniacute z nerezu ve tvaru T (obr
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
44
426) Posledniacute dva naacutevrhy měly pravouacutehlyacute tvar krytu celkově menšiacutech rozměrů z nichž jeden
byl jednoduchyacute o tloušťce 3 mm (obr 427) a druhyacute měl shora a zdola dvojiteacute dno z nerezu
tloušťky 3 mm (obr_428) Touto metodou by se dalo porovnaacutevat mnohem většiacute množstviacute
provedeniacute ktereacute by se mohly lišit i použityacutem materiaacutelem Vzduchoveacute okoliacute detektoru bylo
rozděleno na čtyři sektory v nichž se sečetly hodnoty magnetickeacute energie jednotlivyacutech
elementů v každeacutem kroku analyacutezy a tiacutem se ziacuteskal průběh množstviacute energie v daneacutem prostoru
na čase Objemovaacute hustota magnetickeacute energie byla zjišťovaacutena ve všech plochaacutech daneacute
geometrie a bylo možno sledovat jak se energie v čase přemisťuje
Obr 424 Geometrie varianty 3 mm
Obr 425 Geometrie varianty 5 mm
Obr 426 Geometrie varianty 3 mm-stineni
Obr 427 Geometrie varianty novy 1
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
45
Obr 428 Geometrie varianty novy 2
Přiacuteprava skriptů se od předchoziacutech vyacutepočtů lišila pouze v geometrii jinak byla
principiaacutelně stejnaacute Rozdiacutel byl však v čaacutesti post-processingu (ziacuteskaacutevaacuteniacute vyacutesledků) Aby bylo
možno přistupovat k jednotlivyacutem sektorům musel byacutet každyacute sektor definovaacuten vlastniacutem typem
elementů (elementy byly použity stejneacute jednaacute se pouze o čiacuteslovaacuteniacute) Byly použity osmkraacutet
elementy PLANE53
ET153 Tx vinuti ET253 prostor uvnitr detektoru ET353 nerezovy obal ET453 detekcni prostor ET553 vzduchove okoli - horni ET653 vzduchove okoli - pravy ET753 vzduchove okoli - dolni ET853 vzduchove okoli - levy
Přiacuteklad načiacutetaacuteniacute vyacutesledků pro jeden typ elementů
POST1 prepnutiacute do postprocesoru allsel oznaceni vsech elementu vytvoreni pole pro ukadani hodnot DIMenergie1TABLEkroku11timeE zapsani nulovych hodnot na zacatek vektoru vysledku energie1(00)=0 energie1(01)=0 cyklus ve kterem se nacitaji vysledky jednotlivych kroku simulace doi1kroku1 APPEND 1 i nacteni daneho kroku eseltype1 vybrani elementu typu 1 GET e_count1 ELEM count vraci mnozstvi elementu daneho typu GET e_next ELEM 0 NXTH vraci nejnizsi adresu elementu daneho typu v promenne e_next energ1=0 vynulovani promenne cyklus ktery postupne prochazi vsechy elementy daneho typu doj1e_count11 GET e_energ1 ELEM e_next SENE ulozi do promene e_energ1 mnozstvi energie v elementu s adresou e_next
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
46
GET e_next ELEM e_next NXTH posune adresu elementu o jedna energ1=energ1+e_energ1 pricte mnozstvi energie e_energ1 do kumulativni promnenne energ1 enddo konec vnitrniho cyklu energie1(i0)=i zapise do pole vysledku cislu jirju simulace energie1(i1)=energ1 zapise do pole vysledku mnozstvi energie v cele plose s elementy daneho typu enddo konec vnejsiho cyklu zapis_energ zavolani makra pro zapis vysledku do souboru
422 Hodnoceniacute vyacutesledk ů V jednotlivyacutech sektorech se provedla suma magnetickeacute energie pro každyacute krok
simulace Vyacutesledkem jsou průběhy množstviacute energie v daneacute ploše v zaacutevislosti na krociacutech
simulace (čase) Jednotliveacute varianty byly hodnoceny na zaacutekladě porovnaacuteniacute průběhů se
staacutevajiacuteciacutem detektorem
Energie v Tx vinutiacute
000E+00
100E-03
200E-03
300E-03
400E-03
500E-03
600E-03
700E-03
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 429 Energie v Tx vinutiacute
Na grafu (obr 429) je vidět že množstviacute energie v Tx vinutiacute neniacute zaacutevisleacute na geometrii a je
daacuteno budiacuteciacutem signaacutelem v Tx vinutiacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
47
Energie unit ř detektoru
000E+00
200E-02
400E-02
600E-02
800E-02
100E-01
120E-01
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 430 Energie uvnitř detektoru
Na obr 430 je znaacutezorněno množstviacute energie v prostoru detektoru do ktereacuteho neniacute
započiacutetaacutena detekčniacute oblast ta je zobrazena na obr 432 V teacuteto čaacutesti neniacute pozorovaacutena žaacutednaacute
vyacuteraznaacute změna
Energie v nerezoveacutem obalu
000E+00
500E-05
100E-04
150E-04
200E-04
250E-04
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 431 Energie v nerezoveacutem obalu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
48
Vyacuteraznějšiacute změny se odehraacutevajiacute v nerezoveacutem obalu Nejmenšiacute množstviacute energie je v klasickeacute
3 mm tlusteacute a v 5 mm tlusteacute variantě U klasickeacute varianty se stiacuteněniacutem a u novyacutech naacutevrhů je
naacuterůst způsoben přibliacuteženiacutem nerezu k Tx vinutiacute
Energie v prostoru detek čniacuteho otvoru
000E+00
500E-03
100E-02
150E-02
200E-02
250E-02
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 432 Energie v prostoru detekčniacuteho otvoru
V oblasti detekčniacuteho otvoru je snaha o uchovaacuteniacute co největšiacuteho množstviacute energie neboť
zmenšeniacute energie vede ke sniacuteženiacute odezvy na kontaminant tedy ke sniacuteženiacute citlivosti detektoru
Z obr 432 je patrneacute že geometrickeacute uacutepravy detektoru (3 mm se stiacuteněniacutem novy 1 a novy 2)
vedou ke sniacuteženiacute množstviacute energie v tomto prostoru
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
49
Energie v horniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
100E-07
200E-07
300E-07
400E-07
500E-07
600E-07
700E-07
800E-07
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 433 Energie v horniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Energie v dolniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
100E-07
200E-07
300E-07
400E-07
500E-07
600E-07
700E-07
800E-07
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 434 Energie v dolniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Porovnajiacute-li se obr 433 a 434 je u variant 1 - 3 možneacute pozorovat rozdiacutely mezi horniacute a dolniacute
plochou Je zde na prvniacute pohled vidět jak horniacute oblouk snižuje množstviacute energie unikajiacuteciacute do
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
50
okoliacute Jako uacutečinneacute se z pohledu těchto sektorů jeviacute varianta klasickeacuteho detektoru se stiacuteněniacutem a
novyacute naacutevrh s dvojityacutemi stěnami
Energie v praveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
500E-06
100E-05
150E-05
200E-05
250E-05
300E-05
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 435 Energie v praveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Energie v leveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
500E-06
100E-05
150E-05
200E-05
250E-05
300E-05
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 436 Energie v leveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
51
Pravyacute a levyacute sektor je z důvodů symetrie stejnyacute na obrazciacutech 435 a 436 lze pozorovat tzv
metal free zoacutenu kteraacute se u detektorů udaacutevaacute Jednaacute se o prostor před a za detekčniacutem otvorem
ve ktereacutem se nesmiacute nachaacutezet žaacutednyacute kovovyacute materiaacutel (z důvodu ovlivňovaacuteniacute pole) snahou je
tuto zoacutenu co nejviacutece zmenšit Z grafů je patrneacute že novyacute naacutevrh s dvojityacutemi stěnami vykazuje
nejmenšiacute množstviacute energie v teacuteto oblasti Naopak u klasickeacute varianty se stiacuteněniacutem došlo k
vytlačeniacute pole z vnitřku detektoru praacutevě do těchto okolniacutech zoacuten
Na zaacutekladě těchto poznatků bude provedeno ověřeniacute na skutečnyacutech zařiacutezeniacutech Mezi
použitelneacute varianty připadaacute klasickaacute konstrukce doplněnaacute o stiacuteněniacute a novyacute naacutevrh s dvojityacutemi
stěnami U toho je však velkaacute hrozba sniacuteženiacute citlivosti způsobeneacute menšiacutem množstviacutem energie
v detekčniacutem prostoru
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
52
5 Zaacutevěr Ciacutelem předklaacutedaneacute praacutece je zlepšeniacute činnosti detektorů kovů přiacutepadně uacuteprava
technologie vyacuteroby při současneacutem sniacuteženiacute vyacuterobniacutech naacutekladů Předpokladem uacutespěšnyacutech
naacutevrhů byla podrobnaacute studie činnosti a principu těchto zařiacutezeniacute kteraacute jsou vyacuterobcem po
několik let uacutespěšně prodaacutevaacutena na světovyacutech trziacutech
Na zaacutekladě těchto požadavků byly provedeny některeacute testy ktereacute měly ověřit
předpoklaacutedanaacute zlepšeniacute Nejširšiacute možnosti přinaacutešiacute modelovaacuteniacute magnetickeacuteho pole
průmyslovyacutech detektorů počiacutetačovou simulaciacute kteraacute je zatiacutem schopna řešit zadaneacute probleacutemy
v dvourozměrneacutem prostoru Nejčastěji řešeneacute probleacutemy jsou staacutele spojeny se zaacutekladniacutem
principem činnosti těchto zařiacutezeniacute tj vlivem a působeniacutem kontaminantu na
elektromagnetickeacute pole buzeneacute ciacutevkami uvnitř detektoru a nepřiacuteznivyacute vliv vnějšiacutech rušivyacutech
poliacute např při současneacute činnosti sousedniacutech detektorů Dalšiacutem zdrojem rušivyacutech magnetickyacutech
poliacute může byacutet i činnost a přiacutetomnost různyacutech elektrickyacutech zařiacutezeniacute probleacutem spojenyacute s
vhodnyacutem materiaacutelem a tvarem stiacuteněniacute těchto zařiacutezeniacute
Vzhledem k maximaacutelniacute citlivosti elektronickyacutech obvodů a požadovaneacute pečlivosti při
balancovaacuteniacute (vyvažovaacuteniacute) se vyskytuje probleacutem kteryacute souvisiacute se staacutelostiacute nastaveniacute detektoru
při mechanickeacutem otřesu přiacutepadně odstraněniacute změn ke kteryacutem dochaacuteziacute vlivem dopravy
Dalšiacutem plaacutenovanyacutem krokem je namodelovaacuteniacute probleacutemu v trojrozměrneacutem prostoru od
ktereacuteho je očekaacutevaacuteno zohledněniacute dalšiacutech vlivů a tiacutem zpřesněniacute samotneacuteho vyacutesledku
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
53
6 Použitaacute literatura [1] Internetoveacute straacutenky společnosti Loma Systems sro
httpwwwlomacom_czindexshtml
[2] Haacutejek J Jarchovskyacute Z Detektory kovů - naacutevod na stavbu nakladatelstviacute BEN Praha
2010
[3] Beneda L Detektory kovů bakalaacuteřskaacute praacutece ZČU Plzeň 2010
[4] Internetoveacute straacutenky společnosti Ad controls sro
httpwwwadcontrolsczdetektory_kovu_zakladni_pojmy
[5] KOVOHUTĚ ROKYCANY as COMTES FHT as MATEX sro Průběžnaacute
zpraacuteva k projektu FeNi - čj 1021207 - 32 za rok (2007 - 2009)
[6] Ansys Inc ANSYS HELP Release 130 Dokumentace k programu
[7] Karban P a kolektiv autorů Aplikace teoretickeacute elektrotechniky Skripta ZČU Plzeň
2011
[8] Benešovaacute Z Ulrych B Přiacuteručka pro použitiacute programů ve vyacuteuce teorie
elektromagnetickeacuteho pole Skripta ZČU Plzeň 1997
[9] Loma Systems sro Knowledge Base - Interniacute dokumentace společnosti
[10] Internetoveacute straacutenky společnosti Aerospace specification metals Inc
httpasmmatwebcomsearchSpecificMaterialaspbassnum=MQ304A
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
1
7 Přiacutelohy
71 Tvorba geometrie PREP7 prepnuti do rezimu preprocesingu jj=8 index polohy kontaminantu r1=05e-3 polomer Tx vodice 05 mm r2=15e-3 polomer kontaminantu 15 mm c=90e-3 sirka Rx civek h=1767e-3 vzdalenost mezi Tx vinutim hrx=(h2)+526e-3 zakladni vyskova poloha mezi Rx civkami hss=175e-3 vyska nerezoveho krytu wss=150e-3 sirka nerezoveho krytu tss=3e-3 tloustka nerezove steny hd=h-227e-3 vyska detekcniho otvoru wok=1000e-3 sirka vzduchoveho okoli hok=1000e-3 vyska vzduchoveho okoli wkon=(-250e-3)+(jj20e-3) poloha kontaminantu na ose X tvorba geometrickych bodu nerezoveho krytu K1022589e-30 K2022185e-30 K3-7907e-321208e-30 K4-78e-32085e-30 K57907e-321208e-30 K678e-32085e-30 K7-wsshss0 K8-wss+tsshss-tss0 K9wsshss0 K10wss-tsshss-tss0 K11-wss-hss0 K12-wss+tss-hss+tss0 K13wss-hss0 K14wss-tss-hss+tss0 vytvoreni ploch definovanymi body FLST273 FITEM27 FITEM23 FITEM21 FITEM25 FITEM29 FITEM213 FITEM211 AP51X FLST273 FITEM28 FITEM24 FITEM22 FITEM26 FITEM210 FITEM214 FITEM212 AP51X CYL40h2r1 plocha horniho Tx vodice CYL40-h2r1 ploch dolniho Tx vodice BLC50((h2)+hrx)2100e-310e-3 plocha horniho vzduchoveho okoli Tx vodice BLC50-((h2)+hrx)2100e-310e-3 plocha dolniho vzduchoveho okoli Tx vodice BLC5002wsshd plocha detekcniho ootvoru APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch odstraneni ploch ktere budou sjednoceny se vzduchovym okolim
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
2
FLST255ORDE4 FITEM210 FITEM2-12 FITEM215 FITEM218 ADELEP51X BLC500wokhok vytvoreni plochy vzduchoveho okoli APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch CYL4wkon0r2 vytvoreni plochy kontaminantu APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch konec tvorby geometrickeho modelu
72 Definice element ů materiaacutel ů a jejich p řiřazeniacute k plochaacutem definovani materialu MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX11 material 1 Tx permeabilita 1 MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX21 material 2 Air permeabilita 1 MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX31008 material 3 nerezovy kryt SS ANSI 304 permeabilita MPTEMP MPTEMP10 MPDATARSVX372e-7 material 3 nerezoovy kryt SS Ansi 304 rezistivita MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX4400 material 4 Kontaminant permeabilita MPTEMP MPTEMP10 MPDATARSVX4102e-7 material 4 Kontaminant rezistivita definovani elementu ET153 Tx civky ET253 Vzduch ET353 nerezovy kryt ET453 kontaminant nastaveni elementu KEYOPT110 Tx civky KEYOPT120 KEYOPT130 KEYOPT140 KEYOPT150 KEYOPT170 KEYOPT210 Air KEYOPT220 KEYOPT230 KEYOPT240 KEYOPT250 KEYOPT270 KEYOPT310 SS KEYOPT320 KEYOPT330 KEYOPT340 KEYOPT350
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
3
KEYOPT370 KEYOPT410 kontaminant KEYOPT420 KEYOPT430 KEYOPT440 KEYOPT450 KEYOPT470 prirazeni elementu a materialum k plocham FLST525ORDE2 Tx FITEM58 FITEM5-9 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 1 1 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 FLST535ORDE3 Air FITEM53 FITEM516 FITEM5-17 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 2 2 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 FLST525ORDE2 SS FITEM513 FITEM5-14 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 3 3 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 CM_YAREA kontaminant ASEL 1 CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 4 4 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
4
73 Siacuteťovaacuteniacute oblastiacute FLST275ORDE7 FITEM21 FITEM28 FITEM2-9 FITEM213 FITEM2-14 FITEM216 FITEM2-17 AESIZEP51X00005 nastaveni delky steny elementu 00005 m FLST215ORDE1 FITEM23 AESIZEP51X001 nastaveni delky steny elementu 001 m MSHAPE12D nastaveni 2D trojuhelnikove site MSHKEY0 FLST585ORDE8 FITEM51 FITEM53 FITEM58 FITEM5-9 FITEM513 FITEM5-14 FITEM516 FITEM5-17 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CHKMSHAREA CMSELS_Y AMESH_Y1 spusteni automatickeho sitovani CMDELE_Y CMDELE_Y1 CMDELE_Y2
74 Okrajovaacute podmiacutenka a nastaveniacute budiciacuteho pr ůběhu okrajova podminka FLST244ORDE4 FITEM214 FITEM212 FITEM27 FITEM25 DLP51X AZ0 nastaveni zatizeni parametry budici proudove hustoty f=35e3 frekvence signalu [Hz] part=600 pocet kroku signalu T_min=0 pocatek casove osy T_max=1f konec casove osy dt=T_maxpart casovy krok parametry prudove hustoty pi=4atan(1) s=pir12 I=600sqrt(2) N1=1 J1_a=IN1s definovani vzestupne casti pulsu tau=3 DIMJexTABLE5011timeJ Jex(11)=0
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
5
Jex(10)=0 doi2501 Jex(i1)=(J1_a)(1-exp(-itau)) Jex(i0)=(i) enddo definovani sestupne casti pulsu tau=3 DIMJex1TABLE5011timeJ Jex1(11)=J1_a Jex1(10)=0 doi2501 Jex1(i1)=(J1_a)(exp(-itau)) Jex1(i0)=(i) enddo sestaveni celeho pulsu DIMJex2TABLE10011timeJ Jex2(11)=0 Jex2(10)=0 doi2501 Jex2(i1)=Jex(i1) Jex2(i0)=(i) enddo doi511001 Jex2(i1)=Jex1(i-501) Jex2(i0)=(i) enddo priprava nulovych vektoru kladneho a zaporneho prubehu J DIMJ1TABLE60011timeJ DIMmJ1TABLE60011timeJ doi16001 J1(i0)=(i-1)dt time J1(i1)=0 J mJ1(i0)=(i-1)dt time mJ1(i1)=0 -J enddo vlozeni prvniho pulsu doi11001 J1(i1)=Jex2(i1) mJ1(i1)=-Jex2(i1) enddo vlozeni druheho pulsu doi3004001 J1(i1)=-Jex2(i-3001) mJ1(i1)=Jex2(i-3001) enddo prirazeni prubehu k plocham PREP7 FLST215ORDE1 FITEM28 BFAP51XJSJ1 FLST215ORDE1 FITEM29 BFAP51XJSmJ1
75 Nastaveniacute analyacutezy SOL prepnuti do Solution modu - nastaveni analyzy kroku=300 pocet kroku simulace ANTYPE4 TRNOPTFULL
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
6
NSUBSTkroku00 OUTRESERASE OUTRESALL1 TIMET_max solve spusti vypocet ulohy
76 Postprocessing POST1 prepne do Preprocesing modu krokyb=200 pocet kroku na delku coilgapu L=03 delka Rx snimace hrx1=(h2)+10e-3 jednotlive vyskove pozice Rx vinuti hrx2=(h2)+526e-3 hrx3=(h2) hrx4=((h2)-526e-3) hrx5=((h2)-10e-3) vytvoreni pole hodnot - 10 sloupcu x 300 radku sloupce odpovidaji poctu jednotlivych civek 2x5 (5 poloh horni a dolni civka) DIMTOKTABLEkroku101SUBSTEP TOK(00)=0 TOK(01)=0 TOK(02)=0 TOK(03)=0 TOK(04)=0 TOK(05)=0 TOK(06)=0 TOK(07)=0 TOK(08)=0 TOK(09)=0 TOK(010)=0 dok1kroku1 hlavni cyklus pocet cyklu odpovida poctu kroku analyzy APPEND 1 k nacteni k-teho kroku analyzy tato cast kodu je nutna pro kazdou civku zvlast (10x se opakuje) PATHHORNI26krokyb-1 definovani cesty horni civky PPATH10-c2hrx10 levy koncovy bod PPATH20c2hrx10 pravy koncovy bod PDEF BYAVG namapovani Y-slozky magneticke indukce B PCALCINTGINT_HORBYXGL vypocet integralu z By podle dX PBCPATH 0 PAGETHORNI1_TABL ulozeni hodnot ziskanych na definovane ceste do pole HORNI1_ PADELALL smazani cesty i s hodnotamy (pole HORNI1_ zustava) konec opakujici se casti prirazovani posledni hodnoty integralu do prislusneho pole vysledku TOK(k0)=k casova osa TOK(k1)=HORNI1_(krokyb6) TOK(k2)=DOLNI1_(krokyb6) TOK(k3)=HORNI2_(krokyb6) TOK(k4)=DOLNI2_(krokyb6) TOK(k5)=HORNI3_(krokyb6) TOK(k6)=DOLNI3_(krokyb6) TOK(k7)=HORNI4_(krokyb6) TOK(k8)=DOLNI4_(krokyb6) TOK(k9)=HORNI5_(krokyb6) TOK(k10)=DOLNI5_(krokyb6) DELPRM_ smaze vsechny pole vysledku koncici znakem _ enddo konec cyklu zapis_tok odkaz na skript pro zapsani pole vysledku do souboru txt
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
7
77 Makro Vyacutepis makra ktereacute uklaacutedaacute hodnoty do souboru tok_fitxt
MWRITETOK(111)tok_fitxt vytvori soubor tok_fitxt a ulozi do
nej matici vysletku TOK
(10E135) urcuje format zapisu hodnot - 10
sloupcu cisel o celkove delce 13ti
znaku z toho 5 za desetinou teckou
CFCLOS uzavre soubor
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
8
Eviden čniacute list
Souhlasiacutem s tiacutem aby moje bakalaacuteřskaacute praacutece byla půjčovaacutena k prezenčniacutemu studiu v
Univerzitniacute knihově ZČU v Plzni
Datum Podpis
Uživatel stvrzuje svyacutem čitelnyacutem podpisem že tuto bakalaacuteřskou praacuteci použil ke studijniacutem
uacutečelům a prohlašuje že ji uvede mezi použityacutemi prameny
Jmeacuteno Fakultakatedra Datum Podpis
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
9
Seznam symbol ů DK (-)helliphelliphelliphelliphellip detektor kovů
f (Hz)helliphelliphelliphellip frekvence
ω (s-1)helliphelliphelliphelliphellip uacutehlovaacute rychlost (frekvence)
ρ (Ωm)helliphelliphelliphellip měrnyacute odpor
micro0 (Hm-1)helliphelliphellip permeabilita vakua (4π10-7)
micror (-)helliphelliphelliphelliphellip poměrnaacute permeabilita
TRhelliphelliphelliphelliphelliphellip transformaacutetor
C (F)helliphelliphelliphelliphellip kapacita
Txhelliphelliphelliphelliphelliphellip transmitter - vysiacutelač
Rxhelliphelliphelliphelliphelliphellip receiver - přijiacutemač
SShelliphelliphelliphelliphellip stainless steel - nerezovaacute ocel
IQ2helliphelliphelliphelliphellip model detektoru společnosti Loma Systems sro
IQ3helliphelliphelliphelliphellip novějšiacute model detektoru společnosti Loma Systems sro
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
10
Uacutevod Po zveřejněniacute bakalaacuteřskeacute praacutece Detektory kovů projevila společnost Loma Systems
sro zaacutejem o spolupraacuteci v oblasti vyacuteroby a vyacutevoje průmyslovyacutech detektorů kovu
Společnosti Loma a Cintex byly založeny před 30 lety a jsou předniacutemi světovyacutemi
producenty v oblasti potravinovyacutech farmaceutickyacutech a textilniacutech kontrolniacutech systeacutemů ndash
detektorů kovu rentgenoveacute kontroly a zařiacutezeniacute kontrolniacuteho vaacuteženiacute Sveacute prestižniacute postaveniacute
ziacuteskaly diacuteky sveacute trvaleacute kvalitě a pokročilyacutem technologiiacutem což je vyacutesledkem neustaacuteleacuteho a
rozsaacutehleacuteho vyacutezkumneacuteho a vyacutevojoveacuteho programu
Hlavniacute siacutedlo je ve Farnborough ve Velkeacute Britaacutenii Vyacutezkumnaacute a vyacutevojovaacute centra jsou
jak ve Velkeacute Britaacutenii tak v Chicagu ve Spojenyacutech staacutetech a nyniacute se zřizuje i zde v Českeacute
republice Většina vyacuteroby je ve Velkeacute Britaacutenii a Chicagu nyniacute se postupně přesouvaacute do nově
zřiacutezeneacute provozovny v Českeacute republice (Dobřany) Společnost maacute takeacute přiacutemeacute prodejniacute a
servisniacute zastoupeniacute ve Francii Německu Nizozemiacute Čiacuteně Kanadě a USA Mimo tyto oblasti
těsně spolupracuje s distributory a podiacuteliacute se vyacuterobou a dodaacutevkami součaacutestek pro vyacuterobce ve
viacutece než 35 zemiacutech po celeacutem světě aby zajistila že se zaacutekazniacutekům dostaacutevaacute plneacuteho servisu a
podpory ať už se nachaacutezejiacute kdekoliv [1]
Ciacutelem společnosti je vytvořeniacute kolektivu pracovniacuteků v ČR kteřiacute se již v teorii detekce
kovů orientujiacute a jsou schopni pracovat na probleacutemech a slabyacutech straacutenkaacutech vyacuteroby a podiacutelet se
na vyacutevoji novyacutech detektorů Po dohodě byl vymezen okruh probleacutemů ve kteryacutech by bylo
vhodneacute proveacutest určitaacute zlepšeniacute jak po straacutence technickeacute tak technologickeacute s ohledem na
ekonomickeacute uacutespory a zlepšeniacute vyacuterobniacuteho procesu
V teacuteto praacuteci je uveden popis principu staacutevajiacuteciacuteho zařiacutezeniacute společnosti Loma Systems
sro postup vyšetřovaacuteniacute magnetickeacuteho pole tohoto zařiacutezeniacute a naacutevrh optimalizace z pohledu
zlepšeniacute kvality detekce a stiacuteněniacute elektromagnetickeacuteho pole
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
11
1 Zaacutekladniacute fyzikaacutelniacute principy detektor ů kovu Principy detektorů kovů jsou založeny na využiacutevaacuteniacute specifickyacutech vlastnostiacute kovů
Kovy se od okolniacutech materiaacutelů lišiacute hlavně
bull měrnyacutem elektrickyacutem odporem
bull magnetickyacutemi vlastnostmi
Většina hledanyacutech objektů je energeticky pasivniacute proto je pro jejich detekci potřeba
energii dodaacutevat Dodaacutevanaacute energie je většinou vyzařovaacutena detektorem čaacutestiacute kteraacute maacute funkci
vysiacutelače Vysiacutelanaacute energie může byacutet akustickaacute na tomto principu funguje sonar nebo
elektromagnetickaacute což je princip většiny detektorů od radarů přes průmysloveacute detektory až k
tzv minohledačkaacutem Zde se využiacutevaacute vyacuteše jmenovanyacutech odlišnostiacute ktereacute majiacute vliv na
pohlcenou odraacuteženou a zbytkovou energii kteraacute je detekovanyacutem objektem vyzařovaacutena zpět
nebo jinyacutem způsobem deformuje elektromagnetickeacute pole Množstviacute pohlceneacute energie je daacuteno
matematickyacutem vyacuterazem (11) kteryacute určuje tzv hloubku vniku δ ve ktereacute se přivedenaacute energie
vlivem viacuteřivyacutech proudů sniacutežiacute na polovinu
( )mmicroωρδ
sdotsdot= 2
(11)
kde micro = micro0 micror
Vyacuteraz (11) je třeba uvažovat při řešeniacute energie pohlceneacute nebo odraacuteženeacute z hlediska volby
frekvence vysiacutelaneacute energie neboť
( )12 minussdotsdot= sfπω (12)
Druhou skupinu tvořiacute objekty ktereacute do sveacuteho okoliacute nějakou formou energii vyzařujiacute
Vyzařovanaacute energie může byacutet
bull akustickaacute (lokalizovaacuteniacute polohy ponorek)
bull elektromagnetickaacute (vyzařovaacuteniacute většiny elektrickyacutech zařiacutezeniacute točivyacutech i netočivyacutech
lokalizovaacuteniacute letadel ndash systeacutem TAMARA)
bull tepelnaacute (termovize tepelneacute navaacuteděniacute řiacutezenyacutech střel)
bull gama zaacuteřeniacute (vyhledaacutevaacuteniacute izotopů)
Zvlaacuteštniacutem přiacutepadem je situace kdy hledanyacute objekt i detektor jsou pasivniacute a k detekci je
využiacutevaacutena změna energie z ciziacuteho zdroje Konkreacutetniacutem přiacutepadem je přiacutestroj nazyacutevanyacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
12
magnetometr kteryacute detekuje objekty na zaacutekladě změny intenzity magnetickeacuteho pole země
vyvolaneacute hledanyacutem objektem Deformaci magnetickeacuteho pole země nezpůsobujiacute pouze kovy
ale i jineacute nehomogenity jako jsou jeskyně dutiny nebo remanentniacute magnetickeacute pole [2]
2 Principy aktivniacutech elektromagnetickyacutech detektor ů kovu
Pro detekci jsou obecně využiacutevaacuteny změny sniacutemaneacute veličiny ktereacute jsou způsobeny
hledanyacutem předmětem materiaacutelem Při vyhledaacutevaacuteniacute objektů elektromagnetickyacutem polem se
využiacutevaacute dvou materiaacutelovyacutech vlastnostiacute způsobujiacuteciacute jeho deformaci Zaprveacute je to deformace
pole feromagnetickyacutem materiaacutelem (např permaloy ferit železo) jehož magnetickaacute vodivost
převyšuje vodivost elektrickou a způsobuje soustředěniacute siločar pole do objektu obr 21
Obr 21 Feromagnetickyacute objekt Obr 22 Neferomagnetickyacute objekt
Materiaacutely u kteryacutech převyšuje elektrickaacute vodivost nad magnetickou (např měď hliniacutek)
uplatňujiacute druhyacute princip a tiacutem je deformace původniacuteho pole polem sekundaacuterniacutem Sekundaacuterniacute
pole vznikaacute viacuteřivyacutemi proudy naindukovanyacutemi ve vodiveacutem předmětu vystaveneacutemu původniacutemu
poli Ze zaacutekona o zachovaacuteniacute energie plyne že sekundaacuterniacute pole působiacute proti původniacutemu
Naacutesledkem tohoto jevu dojde k obtečeniacute objektu siločarami původniacuteho vyzařovaneacuteho pole
obr 22 [3]
21 Princip balan čniacutech detektor ů Většina průmyslovyacutech detektorů kovu pracuje na balančniacutem principu podrobnyacute popis
ostatniacutech principů je uveden napřiacuteklad ve [3]
Tento princip je založen na vyvaacuteženyacutech (vybalancovanyacutech) ciacutevkaacutech (IB ndash Induction
Balance) Z toho plyne že hledaciacute sonda je složena z minimaacutelně dvou ciacutevek popřiacutepadě dvou
systeacutemů ciacutevek z nichž jeden je vysiacutelaciacute a druhyacute pracuje jako přijiacutemač (Transmitter Receiver
ndash TR) Tyto detektory byacutevajiacute označovaacuteny TR-IB V přiacutepadě dvou ciacutevek je přijiacutemaciacute ciacutevka
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
13
umiacutestěna vzhledem k vysiacutelaciacute ciacutevce tak že naindukovaneacute napětiacute při nepřiacutetomnosti kovu je
rovno nule tzv uspořaacutedaacuteniacute překryacutevanyacutech ciacutevek tvaru D Stejneacuteho efektu lze dosaacutehnou při
pozici ciacutevek vzaacutejemně pootočenyacutech o 90deg Jestliže je na straně přiacutejmu soustava dvou ciacutevek
umiacutestiacute se vzhledem k vysiacutelaciacute ciacutevce tak že v nepřiacutetomnosti kovu se do ciacutevek indukuje stejně
velkeacute napětiacute ktereacute se mezi sebou odečte Rozdiacutelu obou napětiacute na přijiacutemaciacutech ciacutevkaacutech je roven
nule (obr 23)
Obr 23 Uspořaacutedaacuteniacute systeacutemu ciacutevek Jakaacutekoliv deformace pole vysiacutelaciacute ciacutevky maacute za naacutesledek porušeniacute rovnovaacutehy a na přijiacutemaciacute
straně se objeviacute napětiacute indikujiacuteciacute přiacutetomnost kovu Indukovaneacute napětiacute v přijiacutemaciacute ciacutevce lze
matematicky popsat vztahem (21)
( )ϕω +sdotsdot= tAU sin (21)
kde A amplituda signaacutelu
ω uacutehlovaacute frekvence signaacutelu
φ faacutezovyacute posuv oproti vysiacutelaneacutemu signaacutelu
Pokud se pod ciacutevkami nachaacuteziacute elektricky vodivyacute objekt z neferomagnetickeacuteho
materiaacutelu je pole deformovaacuteno sekundaacuterniacutem polem způsobenyacutem viacuteřivyacutemi proudy ktereacute
působiacute proti poli původniacutemu Pak přijiacutemaneacute napětiacute UPN v přijiacutemaciacute ciacutevce bude miacutet maximaacutelniacute
hodnotu v okamžiku největšiacute změny vysiacutelaneacuteho napětiacute UV V přiacutepadě indikace
feromagnetickeacuteho materiaacutelu je indukovaneacute napětiacute UPF ve faacutezi s vysiacutelaciacutem napětiacutem Protože je
v praxi nemožneacute dosaacutehnout absolutniacuteho vyvaacuteženiacute ciacutevek bude v přijiacutemaciacute ciacutevce vždy nějakeacute
maleacute napětiacute Na obr 24 jsou ideaacutelniacute přijiacutemaneacute signaacutely pro různeacute druhy kontaminantů U
obecnyacutech materiaacutelů se ve skutečnosti uplatňujiacute jak feromagnetickeacute vlastnosti tak vodivostniacute
Z tohoto důvodu bude miacutet napětiacute UP indukovaneacute v přijiacutemaciacute ciacutevce faacutezovyacute posuv oproti
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
14
vysiacutelaneacutemu v intervalu
20π
[2]
Obr 24 Průběhy napětiacute UV ndash vysiacutelaneacute napětiacute UPF ndash ideaacutelniacute přijiacutemaneacute napětiacute (feromagnetickyacute materiaacutel) UPN ndash ideaacutelniacute přijiacutemaneacute napětiacute (neferomagnetickyacute materiaacutel) UP ndash skutečneacute přijiacutemaneacute napětiacute [2]
Existujiacute různeacute možnosti dociacuteleniacute nuloveacuteho klidoveacuteho přenosu mezi ciacutevkami Zaprveacute
prostorovyacutem odděleniacutem kdy osy ciacutevek mezi sebou sviacuterajiacute uacutehel 90deg vysiacutelaciacute ciacutevka je uložena
svisle a přijiacutemaciacute ciacutevka vodorovně obr 25 Tyto detektory byly nazyacutevaacuteny bdquoTwo boxldquo [2]
Obr 25 Princip prostoroveacuteho uspořaacutedaacuteniacute 90deg ciacutevek [2]
V druheacutem přiacutepadě jsou obě ciacutevky uloženy vodorovně ale jejich prostoroveacute uspořaacutedaacuteniacute se voliacute
takoveacute aby byla vzaacutejemnaacute indukčnost nulovaacute Toho je dociacuteleno tiacutem že přijiacutemaciacute ciacutevkou
U (V)
t (s)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
15
prochaacuteziacute stejneacute množstviacute siločar vysiacutelaciacute ciacutevky v jednom i druheacutem směru a tiacutem dochaacuteziacute ke
kompenzaci (vyrušeniacute) jejich uacutečinku obr 26
Obr 26 Princip prostoroveacuteho uspořaacutedaacuteniacute překryacutevajiacuteciacutech se ciacutevek [2]
Společnosti vyraacutebějiacuteciacute průmysloveacute detektory kovů majiacute většinou sveacute specifickeacute uspořaacutedaacuteniacute
ciacutevek
Obr 27 Viacutece ciacutevkoveacute uspořaacutedaacuteniacute detektoru společnosti Ad controls sro a jeho skutečneacute provedeniacute [4]
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
16
Obr 28 Třiacute ciacutevkoveacute uspořaacutedaacuteniacute detektoru společnosti Loma Systems sro
Kvalita detektoru je daacutena předevšiacutem ciacutevkovou soustavou a neměnnostiacute jejiacutech vlastnostiacute a daacutele
volbou pracovniacuteho kmitočtu Špičkou mezi dnešniacutemi detektory jsou zařiacutezeniacute umožňujiacuteciacute
činnost při různyacutech budiacuteciacutech kmitočtech Vyacutehodou těchto systeacutemů je možnost použiacutevat viacutece
zařiacutezeniacute bliacutezko u sebe a hlavně možnost použitiacute různyacutech frekvenciacute pro rozdiacutelneacute produkty s
ohledem na citlivost a kvalitu detekce
3 Zařiacutezeniacute spole čnosti Loma Systems sro Podmiacutenkou k dalšiacute vyacutevojoveacute činnosti je podrobnaacute znalost vyraacuteběnyacutech zařiacutezeniacute a
vyacuterobniacutech technologiiacute v daneacutem podniku
Obr 31 Detektor kovů IQ3 s dotykovyacutem ovlaacutedaacuteniacutem společnosti Loma Systems sro [1]
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
17
31 Obecneacute informace Jsou vyraacuteběny dva typy detektorů ktereacute pracujiacute na stejneacutem principu ale lišiacute se
vysiacutelaciacutemi průběhy budiacuteciacuteho napětiacute a možnostiacute pracovat na různyacutech kmitočtech
Staršiacute model označenyacute jako IQ2 je vyraacuteběnyacute ve třech variantaacutech jako farmaceutickyacute
detektor detektor s volnyacutem propadem produktu nebo detektor s produktem dopravovanyacutem
potrubiacutem Posledniacute dva jmenovaneacute jsou takeacute vyraacuteběny na zaacutekladě technologie IQ3 Tento
systeacutem umožňuje činnost detektoru na různyacutech budiacuteciacutech kmitočtech a je použit hlavně u
dopravniacutekovyacutech detektorů Detektor IQ2 pracuje na neměnneacute frekvenci 1 MHz
Dopravniacutekoveacute detektory jsou vyraacuteběny ve dvou variantaacutech normaacutelniacute (detekčniacute otvor
maacute stěny opatřeneacute vrstvou modreacuteho epoxidu) a detektory pro extreacutemně nepřiacutezniveacute podmiacutenky
(stěny detekčniacuteho otvoru jsou pokryty odolnyacutem plastem) ktereacute odolaacutevajiacute i vysokotlakeacutemu
vodniacutemu čištěniacute Obě varianty jsou vhodneacute i pro použitiacute v potravinaacuteřskeacutem průmyslu
Všechny detektory jsou schopny pracovat při siacuteťoveacutem napětiacute 110115200220230 V
50 nebo 60 Hz 1f 380400 V 5060 Hz 3f a majiacute stupeň krytiacute IP 69K což umožňuje uacutedržbu
vysokotlakyacutemi vodniacutemi čističi Ovlaacutedaacuteniacute a komunikace s detektorem je zajištěna LCD
displejem s tlačiacutetky nebo displejem dotykovyacutem Každyacute detektor je vybaven releacuteovyacutemi
vyacutestupy jimiž je možno ovlaacutedat chod dopravniacuteku vyřazovaciacute systeacutem signalizačniacute lampy či
klakson
Detektor jako takovyacute se sklaacutedaacute z jedneacute čaacutesti kde je jak samotnyacute detekčniacute otvor tak i
veškeraacute elektronika Detekčniacute otvor tvořiacute jaacutedro z tvrzeneacuteho papiacuteru (Tufnol) do ktereacuteho jsou
vlepeny vodiče ciacutevek Stěny detekčniacuteho otvoru jsou opatřeny modryacutem epoxidem nebo biacutelyacutem
polyethylenem (Acetal) kteryacute maacute většiacute mechanickou odolnost Celeacute zařiacutezeniacute je uzavřeno v
obalu z nerezoveacute oceli ANSI 304 (DIN 14301) tloušťky 3 mm Prostor mezi jaacutedrem a
nerezovyacutem obalem je vyplňovaacuten pěnivyacutem epoxidem
Elektronika detektoru obsahuje tři desky plošnyacutech spojů a ovlaacutedaciacute displej Hlavniacute
čaacutestiacute je řiacutediacuteciacute deska (Control board) na ktereacute se nachaacuteziacute blok napaacutejeciacuteho zdroje
vyhodnocovaciacute obvody paměti AD převodniacuteky signaacutelu a vstupniacutevyacutestupniacute obvody Dalšiacutemi
čaacutestmi jsou vysiacutelaciacute deska (Transmitter board) a deska přijiacutemače (Receiver board)
32 Vysiacutelaciacute čaacutest - Tx Postupneacute upouštěniacute od vyacuteroby zastaraleacute verze detektorů IQ2 je důvodem pro zaměřeniacute
teacuteto praacutece na detektory IQ3 Systeacutem IQ3 je multifrekvenčniacute založenyacute na balančniacutem principu
Oproti standardniacutem balančniacutem detektorům je zde vysiacutelaciacute ciacutevka buzena nespojityacutem signaacutelem
Vyacutehodou použitiacute tohoto signaacutelu je snadnaacute změna frekvence možnost řiacutezeniacute vysiacutelaciacuteho vyacutekonu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
18
a celkoveacute zvyacutešeniacute kvality detekce neboť rychlyacutem změnaacutem budiacuteciacuteho proudu odpoviacutedaacute velkaacute
změna magnetickeacuteho indukčniacuteho toku Dle Faradayova indukčniacuteho zaacutekona je velikost
indukovaneacuteho napětiacute daacutena rychlostiacute změny magnetickeacuteho indukčniacuteho toku (31)
tU i ∆
∆Φminus= (31)
Činnost Tx boardu (vysiacutelaciacute desky) je řiacutezena mikrokontrolerem kteryacute komunikuje s
Control boardem seacuteriovyacutem rozhraniacutem Deska umožňuje kontrolu napaacutejeniacute vysiacutelaciacuteho proudu
teploty a přiacutepadneacute přerušeniacute Tx vinutiacute (vysiacutelaciacute ciacutevky) Mikrokontroler řiacutediacute jak vysiacutelaciacute
průběh tak vyhodnocovaciacute obvody ktereacute jsou na Rx boardu (přijiacutemaciacute deska)
Na Tx board jsou přivaacuteděna napětiacute 12 V -12 V proti zemi použiacutevanaacute k buzeniacute Tx
vinutiacute Z kladneacuteho napětiacute se daacutele ziacuteskaacutevaacute napětiacute 33 V a 18 V pro napaacutejeniacute ostatniacutech obvodů
Budiacuteciacute signaacutel je kvůli požadovaneacutemu vysokeacutemu pulsniacutemu vyacutekonu odebiacuteraacuten z kondenzaacutetoroveacute
baterie Velikost odebiacuteraneacuteho proudu je měřena operačniacutem zesilovačem zapojenyacutem jako
převodniacutek IU
Vyacutekonovaacute čaacutest Tx boardu je tvořena čtyřmi MOSFET tranzistory řiacutezenyacutemi
mikrokontrolerem Vyacutekonoveacute tranzistory T1 až T4 jsou zapojeny dle obr 32
Obr 32 Zapojeniacute koncoveacute čaacutesti vysiacutelače
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
19
Vysiacutelaciacute ciacutevka je tvořena pouze jedniacutem zaacutevitem Cu draacutetu ϕ 1 mm jeho indukčnost a kapacita
je vzhledem k jeho vodivosti zanedbatelnaacute a při nižšiacutech frekvenciacutech se tedy chovaacute jako zkrat
Pokud je časovyacute posuv mezi U1 a U2 roven nule pak napětiacute UTX je takeacute rovno nule a Tx
ciacutevkou neteče žaacutednyacute proud obr 33
-12
-8
-4
0
4
8
12
16U1 (V)
-16
-12
-8
-4
0
4
8
12
16
000E+00 100E-05 200E-05 300E-05 400E-05 500E-05 600E-05
čas (s)
U2 (V)
Obr 331 Průběhy signaacutelů U1 a U2 přivaacuteděnyacutech na vyacutevody Tx vinutiacute V detektoru by se dala naměřit pouze elektrickaacute složka pole odpoviacutedajiacuteciacute původniacutemu signaacutelu
Pro detekci kovu je však důležiteacute elektromagnetickeacute pole kteraacute vznikaacute průchodem proudu
vinutiacutem Proudoveacuteho impulsu je dosaženo časovyacutem posunem mezi napětiacutemi U1 a U2
přivaacuteděnyacutemi na svorky Tx vinutiacute V tomto přiacutepadě potečou zkratoveacute proudoveacute pulsy
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
20
odpoviacutedajiacuteciacute připojeneacutemu napětiacute UTX viz obr 34 Vyacutekon detektoru je tedy řiacutezen časovyacutem
posunem mezi průběhy napětiacute U1 a U2 Tomuto časoveacutemu posuvu pak odpoviacutedaacute i velikost
odebiacuteraneacuteho proudu do Tx vinutiacute
-12
-8
-4
0
4
8
12
16U1 (V)
-12
-8
-4
0
4
8
12
16U2 (V)
000E+00 100E-05 200E-05 300E-05 400E-05 500E-05 600E-05
Čas (s)
I (A)
Obr 34 Časově posunutaacute napětiacute U1 U2 přivaacuteděnaacute na vyacutevody Tx vinutiacute a průběh proudu I v Tx vinutiacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
21
33 Přijiacutemaciacute čaacutest - Rx Zaacutekladem přijiacutemaciacute čaacutesti je soustava složenaacute ze dvou paralelně spojenyacutech Rx ciacutevek
podle obr 35 každaacute se dvěma zaacutevity U tohoto uspořaacutedaacuteniacute hraje důležitou roli smysl vinutiacute
Rx ciacutevek (označeniacute počaacutetku a konce vinutiacute) a jejich přesnaacute poloha Tx musiacute prochaacutezet přesně
v jedneacute polovině vzdaacutelenosti l
Obr 35 Geometrickeacute uspořaacutedaacuteniacute je voleno tak že pokud neprochaacuteziacute detektorem kontaminant napětiacute
indukovaneacute napaacutejenou ciacutevkou Tx do Rx ciacutevek je minimaacutelniacute
Jak bylo řečeno v kapitole 32 pro detekci kovu je podstatneacute elektromagnetickeacute pole
Elektrickeacute pole je odstraněno na primaacuterniacutem vinutiacute vstupniacuteho transformaacutetoru TR s dvojityacutem
primaacuterniacutem vinutiacutem zapojenyacutem proti sobě v poměru k sekundaacuterniacutemu vinutiacute 1+130 umiacutestěnyacutem
na Rx boardu Na obraacutezku 36 je zapojeniacute vstupniacuteho obvodu Rx boardu Elektrickaacute složka
pole maacute vůči zemi na obou vyacutevodech Rx ciacutevek stejnyacute průběh Primaacuterniacute vinutiacute TR maacute
vyvedenyacute střed na zem čiacutemž se elektrickaacute složka pole uzemniacute (teče proud) Protože jsou
Rx1 ciacutevka
Rx2 ciacutevka
Tx ciacutevka
l
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
22
průběhy na obou vyacutevodech stejneacute magnetickeacute toky v TR vyvolaneacute proudem působiacute proti sobě
a na sekundaacuterniacute vinutiacute se neindukuje žaacutedneacute napětiacute Dojde-li k narušeniacute magnetickeacuteho pole
uvnitř detekčniacuteho prostoru vznikaacute rozdiacutel naindukovaneacuteho napětiacute v leveacutem a praveacutem vodiči Rx
ciacutevky Tento rozdiacutel napětiacute maacute za naacutesledek tok proudu kteryacute se uzaviacuteraacute přes primaacuterniacute vinutiacute
TR1 a indukuje napětiacute na sekundaacuterniacute straně Toto napětiacute je daacutele zpracovaacutevaacuteno
Obr 36 Vstupniacute obvod Rx boardu
34 Princip vyhodnocovaacuteniacute Signaacutel na sekundaacuterniacutem vinutiacute transformaacutetoru TR je zpracovaacutevaacuten blokem obvodů pro
uacutepravu signaacutelu Ten obsahuje aktivniacute filtr a integračniacute člen s niacutezko-šumovyacutem operačniacutem
zesilovačem Za integračniacutem členem je měřiciacute bod kteryacute je využit při oživovaacuteniacute detektorů
Napětiacute Ub (balance signal) v tomto bodě se zobrazuje na osciloskopu a jeho maximaacutelniacute
hodnota by neměla přesaacutehnout 6 V špička - špička Čiacutem je rozkmit toho napětiacute nižšiacute tiacutem lze
dosaacutehnout vyššiacute citlivosti detektoru (kap 35 Vyvažovaacuteniacute detektoru) Nuloveacuteho rozkmitu
nelze dosaacutehnout mimo jineacute kvůli vyacuterobniacutem toleranciacutem zařiacutezeniacute a nehomogenitaacutem Citlivost
elektronickyacutech čaacutestiacute je velmi vysokaacute a uplatňujiacute se rušiveacute vlivy při jejich činnosti (vliv
teploty mechanickeacute chvěniacute) Napětiacute Ub odpoviacutedaacute vyrovnaacutevaciacutemu proudu v Rx ciacutevkaacutech
Přiacuteklad jeho průběhu bez kontaminantu je na obr 37
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
23
Obr 37 Přiacuteklad průběhu napětiacute Ub
Napětiacute Ub je přivaacuteděno na dva samostatneacute elektronickeacute obvody (řiacutezeneacute usměrňovače)
ovlaacutedaneacute řiacutediacuteciacutemi napětiacutemi z mikrokontroleru (na Tx boardu) Dvě řiacutediacuteciacute napětiacute jednoho
usměrňovače jsou vůči sobě o π posunuty a zaacuteroveň jsou posunuty o π2 proti dvěma řiacutediacuteciacutem
napětiacutem druheacuteho usměrňovače Vyacutesledkem jsou dva napěťoveacute signaacutely (P a Q) ktereacute jsou daacutele
zpracovaacutevaacuteny (integrace zesiacuteleniacute) s možnostiacute ručniacute volby zesiacuteleniacute ve čtyřech stupniacutech
(ovlaacutedaacuteniacute citlivosti detektoru) Tyto signaacutely jsou již nositelem informace a jsou na Control
boardu převedeny do digitaacutelniacute podoby Takto upraveneacute signaacutely jsou vyhodnocovaacuteny
algoritmy v hlavniacutem mikrokontroleru
35 Vyvažovaacuteniacute detektoru Zaacutekladem kvalitniacute a stabilniacute detekce je ciacutevkovyacute systeacutem Aby se dosaacutehlo co nejlepšiacuteho
vyvaacuteženiacute ciacutevek je nutnaacute přesnaacute bytelnaacute a rozměrově staacutelaacute konstrukce Detektory společnosti
Loma Systems sro majiacute ciacutevky uloženeacute ve vyfreacutezovanyacutech draacutežkaacutech a zajištěneacute epoxidovyacutem
lepidlem I přes to je detektor po osazeniacute elektronikou značně nevyvaacuteženyacute balančniacute napětiacute Ub
překračuje požadovanou hodnotu 6 V špička - špička natolik že může dojiacutet i k saturaci
elektronickyacutech obvodů Je tedy nutneacute ciacutevkovyacute systeacutem vyvaacutežit (vybalancovat)
Nejprve se provede hrubeacute laděniacute spočiacutevajiacuteciacute v tvarovaacuteniacute maleacute smyčky Tx vinutiacute v čele
detektoru obr 38
0 T2 T
25 V Ub
-25 V
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
24
Obr 38 Vyvažovaciacute očko na Tx vinutiacute a vlepenyacute pliacutešek uvnitř detekčniacuteho otvoru
Tato smyčka plniacute funkci kompenzačniacuteho vinutiacute po natvarovaacuteniacute je očko zaliteacute epoxidovyacutem
lepidlem U detektorů s vnitřniacute uacutepravou detekčniacuteho otvoru modryacutem epoxidem se do
detekčniacuteho otvoru daacutele vlepujiacute vyvažovaciacute pliacutešky různyacutech tvarů a velikostiacute (od 1 cm2 do 4
cm2) obr 38 ktereacute se naacutesledně zalijiacute do roviny modryacutem epoxidem Jako materiaacutel
vyvažovaciacutech pliacutešků je použita nerezovaacute ocel ANSI 304 (DIN 14301) tloušťky 2 mm Druhyacute
typ detektorů s odolnyacutem plastovyacutem povrchem (typ US) neumožňuje vlepovaacuteniacute pliacutešků
dovnitř detekčniacuteho otvoru Balancovaacuteniacute se tedy provaacutediacute přesnějšiacutem tvarovaacuteniacutem Tx očka
popřiacutepadě vlepovaacuteniacutem pliacutešků v jeho okoliacute
Pro jemneacute doladěniacute se u obou těchto variant (US typ a klasickyacute s modrou epoxidovou
vyacuteplniacute detekčniacuteho otvoru) osazujiacute balančniacute moduly obr 39 ktereacute na plastoveacutem otočneacutem diacutelu
majiacute tuning block o rozměrech cca 05 cm2 z 5 mm tlusteacuteho nerezu Oba balančniacute moduly
umožňujiacute pohyb tuning blocku v okoliacute vyvažovaciacuteho očka
Obr 39 Balančniacute moduly i s kryciacutemi plechy vlevo US vpravo klasickyacute
Tyto moduly nejsou přiacuteliš efektivniacute a sloužiacute pouze k miacuterneacutemu vyvaacuteženiacute Použiacutevajiacute se dva typy
Tuning block
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
25
těchto modulů podle varianty vnitřniacute vyacuteplně detektoru (US typ a klasickyacute s modrou
epoxidovou vyacuteplniacute detekčniacuteho otvoru) Jedniacutem z přijatyacutech naacutevrhů pro vylepšeniacute detektorů s
modrou epoxidovou vyacuteplniacute je použitiacute stejneacuteho balančniacuteho modulu jako u detektoru typu US
Vyacuterobniacute cena US balančniacuteho modulu je podstatně nižšiacute a umožňuje změnu polohy
vyvažovaciacuteho diacutelu nejen po obvodu kružnice ale i změnu vzdaacutelenosti mezi rovinami očka a
tuning bloku Změna teacuteto vzdaacutelenosti se využije v přiacutepadě kdy po osazeniacute detektoru s modrou
epoxidovou pryskyřiciacute balančniacutem modulem dojde ke zhoršeniacute vyvaacuteženiacute ktereacute pouhyacutem
natočeniacutem po kružnici nelze vykompenzovat Použiacutevaacuteniacutem pouze balančniacuteho modulu typu
US by se dosaacutehlo sniacuteženiacute počtu součaacutestek ve vyacuterobniacutem procesu sniacuteženiacute naacutekladů na vyacuterobu
detektoru s modrou epoxidovou vyacuteplniacute detekčniacuteho prostoru a odstranil by se i probleacutem
vznikajiacuteciacute při osazeniacute těchto detektorů balančniacutemi moduly
Dalšiacute naacutevrh se tyacutekal materiaacutelu použiteacuteho na tuning block Snahou bylo zvyacutešit vliv
tuning bloku natolik aby bylo možneacute vynechat kompenzačniacute očko čiacutemž by došlo k urychleniacute
laděniacute Byly testovaacuteny materiaacutely FeNi47ln5 tloušťky 03 mm a FeNi42 tloušťky 04 mm Byl
zvolen tvar kteryacute umožňoval použitiacute staacutevajiacuteciacutech US modulů obr 310 Vliv tuning blocků
se sice zvyacutešil nicmeacuteně ne natolik aby mohlo byacutet vyvažovaciacute očko zcela vynechaacuteno
Obr 310 Prototypy tuning blocků z novyacutech materiaacutelů
36 Vyacutestupniacute kontrola Před samotnou expediciacute detektoru je nutneacute proveacutest kontrolu detekce Kvalita detekce
je ověřovaacutena třemi typy kontaminantů neželeznyacute - NONFE (mosaz) železnyacute - FE (chromovaacute
ocel) a nerezovyacute - SS (ANSI 304) K tomu jsou určeny přiacutepravky na obr 311 a 312 Jednaacute
se o kuličky definovanyacutech průměrů ktereacute jsou zaliteacute v plastovyacutech tyčinkaacutech opatřenyacutech
rozměrovou specifikaciacute kontaminantu Barva tyček odlišuje použityacute typ kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
26
Obr 311 Testovaciacute vzorky pro dopravniacutekoveacute detektory
Obr 312 Testovaciacute vzorky pro farmaceutickeacute detektory
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
27
4 Optimalizace a stiacuten ěniacute detektoru Jedniacutem z bodů teacuteto praacutece je navrženiacute optimalizaciacute průmysloveacuteho detektoru kovu z
hlediska kvality detekce a vyšetřeniacute elektromagnetickeacuteho pole s ohledem na rušiveacute vlivy Z
počaacutetku byly provaacuteděny pokusy se stiacuteněniacutem ciacutevek s ohledem na rušeniacute vnějšiacutem
elektromagnetickyacutem polem Prvniacute uacutevahy vedly k použitiacute stiacuteniacuteciacuteho materiaacutelu s velkou
permeabilitou kteryacute by do sebe soustředil většiacute množstviacute indukčniacutech čar unikajiacuteciacutech do okoliacute
a tiacutem omezil vnějšiacute rušeniacute Na zaacutekladě teacuteto uacutevahy byly testovaacuteny dva materiaacutely FeNi47ln5
tloušťky 03 mm a FeNi42 tloušťky 04 mm ktereacute mohou dosahovat relativniacute permeability až
micror_12106 [5] Těmito pokusy se sice sniacutežilo množstviacute indukčniacutech čar magnetickeacuteho pole
unikajiacuteciacuteho z detektoru ale vlivem přiacuteliš velkeacute permeability bylo ovlivněno i pole uvnitř
detekčniacuteho prostoru kde došlo ke sniacuteženiacute citlivosti Tento naacutevrh měl dalšiacute negativniacute faktory
jako je vysokaacute cena použityacutech materiaacutelů a omezeneacute vyacuterobniacute možnosti nedostačujiacuteciacute šiacuteřkou
paacutesů což by vedlo ke sklaacutedaacuteniacute plechů vedle sebe a tiacutem ke vzniku nehomogenit
Aby byly optimalizace efektivniacute je třeba znaacutet rozloženiacute elektromagnetickeacuteho pole
uvnitř detektoru a vlivy ktereacute na něj působiacute Proto bylo přistoupeno k využitiacute počiacutetačoveacuteho
softwaru Ansys Jednaacute se o profesionaacutelniacute software založenyacute na metodě konečnyacutech prvků Je
určen předevšiacutem pro simulace mechanickeacuteho namaacutehaacuteniacute ale umožňuje i řešeniacute teplotniacutech
elektromagnetickyacutech a sdruženyacutech poliacute [6] Ansys byl vybraacuten předevšiacutem pro možnost řešeniacute i
3D probleacutemů V teacuteto praacuteci bylo z důvodů vyacutepočetniacute naacuteročnosti a velkeacuteho množstviacute
jednotlivyacutech vyacutepočtů přistoupeno k řešeniacute probleacutemu pouze ve dvourozměrneacutem prostoru V
tomto přiacutepadě je řešeno nestacionaacuterniacute magnetickeacute pole ktereacute popisuje rovnice (41) [7]
( ) extr JArotdt
dABArotrot =timesminus+
minus γυγmicro1
(41)
kde
BArot = (42)
A magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel
micro permeabilita
Br remanentniacute indukce
B magnetickaacute indukce
γ měrnaacute elektrickaacute vodivost
ν rychlost pohybu tělesa v magnetickeacutem poli
Jext vektor vnějšiacute proudoveacute hustoty
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
28
41 Vyšet řovaacuteniacute vlivu pozice Rx vinutiacute Nejprve byly provedeny simulace staacutevajiacuteciacuteho zařiacutezeniacute o rozměrech detekčniacuteho otvoru
150 mm x 350 mm Zaacutekladniacute geometrie probleacutemu je na obraacutezku 41 Pro řešeniacute zaacutekladniacuteho
probleacutemu by bylo možneacute použiacutet symetrii modelu pokud však model doplniacuteme o kontaminant
možnost teacuteto symetrie odpadaacute Byly provedeny tři seacuterie vyacutepočtů ktereacute se lišily materiaacutelem
kontaminantu Každaacute seacuterie se sklaacutedala z 24 samostatnyacutech vyacutepočtů ve kteryacutech se postupně
měnila pozice kontaminantu tak jako je tomu při skutečneacute situaci na dopravniacutem paacutesu
Použityacutem APDL skriptem by bylo možneacute řešit i průchody kontaminantu v různyacutech vyacuteškaacutech
detekčniacuteho otvoru Pro potřeby těchto vyacutepočtů byl průchod zvolen středem jelikož je zde
citlivost detektoru nejnižšiacute Nutno poukaacutezat na skutečnost že kontaminant reprezentovanyacute
kružniciacute v řezu detektoru nelze považovat za kulovyacute nyacutebrž za vodič kruhoveacuteho průřezu
stejneacute deacutelky jako Tx respektive Rx vinutiacute Rozmeziacute pohybu kontaminantu bylo od -230 mm
do 230 mm vůči Tx vinutiacute s krokem 20 mm Obdeacutelniacuteky v okoliacute Tx vinutiacute byly vytvořeny za
uacutečelem možnosti zjemněniacute vyacutepočetniacute siacutetě v prostoru Tx a Rx vinutiacute Na obraacutezku 41 nejsou
namodelovaacuteny Rx ciacutevky neboť hodnota naindukovaneacuteho napětiacute byla ziacuteskaacutevaacutena v pěti
různyacutech vyacuteškovyacutech poziciacutech a bylo hodnoceno indukovaneacute napětiacute Ui
Obr 41 Zaacutekladniacute geometrie
nerezovyacute kryt
vodiče Tx vinutiacute
kontaminant
obdeacutelniacuteky vzduchoveacuteho okoliacute s jemnějšiacute vyacutepočetniacute siacutetiacute střed souřadneacuteho
systeacutemu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
29
411 Preprocessing - p řiacuteprava skriptu Nejprve bylo nutneacute zjistit geometrickeacute rozměry a materiaacuteloveacute konstanty zkoumaneacuteho
detektoru Geometrickeacute rozměry byly ziacuteskaacuteny z databaacuteze Solidworks modelů společnosti
Loma Systems sro V kapitole 71 je uacuteryvek APDL skriptu pro tvorbu geometrie
Materiaacutely použiteacute v modelu jsou vzduch vodiče Tx vinutiacute nerezovyacute obal detektoru a
materiaacutely kontaminantů V raacutemci zjednodušeniacute modelu nebyly uvažovaacuteny PVC izolace Tx
vinutiacute samotneacute Tufneloveacute jaacutedro a materiaacutel s niacutemž je prostor mezi jaacutedrem a nerezovyacutem
krytem vyplněn neboť tyto materiaacutely vykazujiacute z pohledu šiacuteřeniacute elektromagnetickeacuteho pole
stejneacute vlastnosti jako vzduch Konkreacutetniacute hodnoty materiaacutelovyacutech konstant viz tabulka 41
odpor Tx vinutiacute nebyl uvažovaacuten neboť jeho plochy byly zatiacuteženy definovanou proudovou
hustotou tudiacutež neniacute možneacute uvažovat přiacutepadně naindukovaneacute viacuteřiveacute proudy Daacutele bylo nutneacute
zvolit a spraacutevně nastavit použiteacute elementy modelu
Tab 41 Materiaacuteloveacute vlastnosti
měrnaacute
permeabilita [-] měrnyacute elektrickyacute
odpor [Ωm]
vzduch 1 -
Tx vinutiacute 1 -
nerezovaacute ocel (ANSI 304 DIN 14301)
1008 [10] 72010-7
neželeznyacute kontaminant (mosaz)
1 75010-8
železnyacute kontaminant (chromovaacute ocel)
400 12010-7
nerezovyacute kontaminant (ANSI 304 DIN 14301) 1008 72010-7
Jako elementy daneacuteho modelu byly zvoleny elementy PLANE53 určeneacute pro řešeniacute
magnetickeacuteho pole Jednaacute se o osmi uzloveacute elementy ktereacute mohou miacutet až čtyři stupně
volnosti na uzel Stupně volnosti mohou byacutet magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel (AZ) časově
integrovanyacute elektrickyacute skalaacuterniacute potenciaacutel (VOLT) elektrickyacute proud (CURR) a
elektromotorickaacute siacutela (EMF) [6] Geometrie elementu na obr 42
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
30
Obr 42 Geometrie elementu PLANE53 [6]
Uacuteryvek koacutedu v kapitole 72 obsahuje definovaacuteniacute materiaacutelovyacutech vlastnostiacute definovaacuteniacute
elementů a jejich nastaveniacute V dalšiacute časti bylo nutneacute jednotliveacute materiaacutely a elementy přiřadit
danyacutem plochaacutem
Daacutele bylo zapotřebiacute nastavit atributy pro automatickeacute siacuteťovaacuteniacute oblasti Je nutneacute aby v
tenkyacutech a malyacutech plochaacutech byla vyššiacute hustota siacutetě než na velkyacutech plochaacutech kde postačuje siacuteť
řidšiacute Velmi důležitaacute je kompatibilita siacutetě proto byla v okoliacute Tx vodičů vytvořena
obdeacutelniacutekovaacute oblast s hustšiacute siacutetiacute viz uacuteryvek koacutedu v přiacuteloze 73
Obr 43 Detailniacute pohled na siacuteť elementů
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
31
V posledniacute čaacutesti preprocessingu byla definovaacutena Dirichletova okrajovaacute podmiacutenka
udaacutevajiacuteciacute magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel roven nule na vnějšiacute hrany vzduchoveacuteho okoliacute a
průběh budiacuteciacute proudoveacute hustoty v Tx vodičiacutech V horniacutem a dolniacutem vodiči měly toky opačnyacute
smysl proto bylo nutneacute vytvořit dva vektory hodnot J1 (obr 44) a mJ1 V posledniacute řadě bylo
provedeno přiřazeniacute průběhů k plochaacutem viz kapitola 74
Obr 44 Průběh proudoveacute hustoty v ploše Tx vodiče
Ansys byl do Solution modu přepnut přiacutekazem SOL kde se provedlo nastaveniacute
analyacutezy a byl spuštěn vyacutepočet viz kapitola 76
412 Postprocessing - ziacuteskaacutevaacuteniacute vyacutesledk ů Ciacutelem teacuteto čaacutesti bylo zjištěniacute průběhů naindukovanyacutech napětiacute Ui v zaacutevislosti na čase
pro různeacute vyacuteškoveacute pozice přijiacutemaciacutech ciacutevek Rx Pro indukovaneacute napětiacute platiacute vztah
( )Vndt
dU i sdotΦminus= (43)
kde
( )TdxBlx
x
Yint sdotsdot=Φ2
1
(44)
n počet zaacutevitů Rx vinutiacute
l deacutelka Rx vinutiacute ve směru osy Z
x1 a x2 šiacuteřka Rx vinutiacute ve směru osy X
BY složka magnetickeacute indukce v ose Y
Zadaacuteniacutem souřadnic dvou bodů se nadefinovala uacutesečka (cesta) na kterou byly s určityacutem
J (Am-2)
kroky vyacutepočtu (-)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
32
krokem zaznamenaacuteny hodnoty magnetickeacute indukce BY Průběh BY v zaacutevislosti na souřadnici X
je na obr 45
Obr 45 Průběh magnetickeacute indukce BY v zaacutevislosti na souřadnici X
Obr 46 Průběh magnetickeacuteho toku Φ v zaacutevislosti na souřadnici X
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
33
Integrovaacuteniacutem průběhu BY se ziacuteskal průběh magnetickeacuteho indukčniacuteho toku Φ obr 46
Magnetickyacute indukčniacute tok Φ je roven určiteacutemu integraacutelu (rovnice 44) průběhu BY obr 45 Z
toho vyplyacutevaacute že magnetickyacute indukčniacute tok je roven posledniacute hodnotě průběhu na obr 46
Tato hodnota se vynaacutesobila deacutelkou Rx vinutiacute Postup vyacutepočtu se opakoval pro všechny pozice
Rx vinutiacute a to v každeacutem kroku transientniacute analyacutezy Tiacutem se ziacuteskala zaacutevislost magnetickeacuteho
indukčniacuteho toku Φ na čase t V programu MS Excel se vynaacutesobil tok počtem zaacutevitů Rx vinutiacute
a byla provedena derivace podle času (rovnice 43) Takto byly zpracovaacuteny vyacutesledky pro
všechny pozice kontaminantu vůči Tx vinutiacute APDL skript pro ziacuteskaacutevaacuteniacute hodnot viz kapitola
76 a v kapitole 77 je vyacutepis makra ktereacute uklaacutedaacute hodnoty do souboru
413 Hodnoceniacute vyacutesledk ů Vypočteneacute hodnoty Ui ve všech pěti vyacuteškovyacutech poziciacutech hrx byly vyneseny do grafů v
zaacutevislosti na čase Pokud se vynesou do jednoho grafu průběhy indukovanyacutech napětiacute pro
každou pozici kontaminantu v daneacute vyacutešce lze sledovat odezvu indukovaneacuteho napětiacute na
polohu kontaminantu Jelikož byly provedeny tři seacuterie vyacutepočtů s různyacutemi kontaminanty lze
porovnat i tvary přijiacutemanyacutech signaacutelu pro jednotliveacute materiaacutely Ciacutelem teacuteto čaacutesti je porovnat
signaacutely ziacuteskaacutevaneacute v různyacutech vyacuteškovyacutech polohaacutech Rx vinutiacute a vybrat nejvhodnějšiacute signaacutel pro
detekci
Na naacutesledujiacuteciacutech grafech jsou znaacutezorněny napěťoveacute průběhy během jedneacute periody v
zaacutevislosti na poloze kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
34
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 47 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 48 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
35
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 49 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 410 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
36
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 411 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 5)
Na obraacutezciacutech 47 až 411 jsou zobrazeny průběhy odpoviacutedajiacuteciacute průchodu železneacuteho
kontaminantu s relativniacute permeablitou 400 a měrnyacutem elektrickyacutem odporem 10210-7 Ωm Na
průběziacutech 47 48 a 411 lze pozorovat sice nižšiacute hodnotu signaacutelu ale celkovaacute deformace
během průchodu kontaminantu je většiacute
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 412 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
37
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 413 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 414 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
38
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 415 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 416 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce5)
Na obraacutezciacutech 412 až 416 jsou zobrazeneacute průběhy odpoviacutedajiacuteciacute průchodu kontaminantu z
nerezu ANSI 304 s relativniacute permeablitou 1008 a měrnyacutem elektrickyacutem odporem 7210-7
Ωm Při porovnaacuteniacute s předchoziacutem kontaminantem je změna signaacutelu nižšiacute což odpoviacutedaacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
39
předpokladům o obtiacutežnějšiacute detekci nerezovyacutech kontaminantů
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 417 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 418 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
40
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 419 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 420 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
41
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 421 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 5)
Na obraacutezciacutech 417 až 421 jsou zobrazeny průběhy odpoviacutedajiacuteciacute neželezneacutemu
kontaminantu (mědi) s parametry relativniacute permeablita 1 a měrnyacute elektrickyacute odpor 7510-8
Ωm Průběh signaacutelu je velmi podobnyacute signaacutelům nerezoveacuteho kontaminantu
Porovnaacuteniacutem všech grafů (obr 47 - obr 422) je obecně vidět že u průběhů ve vyacutešce
3 a 4 je zisk signaacutelu pro všechny modelovaneacute kontaminanty největšiacute Dochaacuteziacute zde ale ke
změně amplitudy pouze v jednom smyslu což z hlediska vyhodnocovaciacutech algoritmů zlepšeniacute
detekce vylučuje Naproti tomu je u signaacutelu ve vyacutešce 5 znatelně vyššiacute amplituda než v
použiacutevaneacute vyacutešce 2 Na zaacutekladě tohoto zjištěniacute bude zhotoven prototyp detektoru za uacutečelem
ověřeniacute teoretickyacutech vyacutesledků
Na obraacutezku 422 je ukaacutezka grafickeacuteho vyacutestupu zobrazujiacuteciacuteho vektory proudoveacute
hustoty naindukovaneacute v nerezoveacutem krytu a v kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
42
Obr 422 Vektory proudovyacutech hustot naindukovanyacutech do kontaminantu a nerezoveacuteho krytu
Obraacutezek 423 zobrazuje kontury magnetickeacuteho pole ve stejneacutem časoveacutem kroku jako obr
422 Pole ktereacute je konturami zobrazeno je tvořeno praacutevě proudovou hustotou obr 422 Je
zde možneacute pozorovat jak se pole deformuje přiacutetomnyacutem kontaminantem
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
43
Obr 423 Kontury magnetickeacuteho vektoroveacuteho potenciaacutelu s viditelnou deformaciacute pole způsobenou
feromagnetickyacutem kontaminantem
42 Vyšet řovaacuteniacute množstviacute vyza řovaneacute energie V teacuteto čaacutesti se vychaacutezelo z předpokladu že intenzita elektromagnetickeacuteho pole uvnitř
detektoru je mnohem většiacute než elektromagnetickyacute šum kteryacute do detektoru vnikaacute z okoliacute
Proto lze předpoklaacutedat že rušeniacute bude způsobeno předevšiacutem deformaciacute vlastniacuteho
vyzařovaneacuteho pole v bliacutezkeacutem okoliacute detektoru To vede ke snaze snižovat množstviacute vlastniacuteho
vyzaacuteřeneacuteho pole ven z detektoru aby nemohlo byacutet deformovaacuteno okolniacutemi předměty
421 Řešeniacute probleacutemu Bylo porovnaacuteno pět variant detektorů bez průchodu kontaminantu Každaacute varianta se
řešila jedniacutem vyacutepočtem z čehož plyne malaacute časovaacute naacuteročnost a proto byly probleacutemy řešeny
bez využitiacute symetrie Prvniacute byl staacutevajiacuteciacute detektor o tloušťce kryciacuteho nerezoveacuteho plechu 3 mm
druhyacute byl stejneacute geometrie ale za použitiacute silnějšiacuteho 5 mm tlusteacuteho nerezu Třetiacute typ měl
tloušťku 3 mm ale na horniacute a dolniacute stěně bylo přidaacuteno dalšiacute stiacuteněniacute z nerezu ve tvaru T (obr
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
44
426) Posledniacute dva naacutevrhy měly pravouacutehlyacute tvar krytu celkově menšiacutech rozměrů z nichž jeden
byl jednoduchyacute o tloušťce 3 mm (obr 427) a druhyacute měl shora a zdola dvojiteacute dno z nerezu
tloušťky 3 mm (obr_428) Touto metodou by se dalo porovnaacutevat mnohem většiacute množstviacute
provedeniacute ktereacute by se mohly lišit i použityacutem materiaacutelem Vzduchoveacute okoliacute detektoru bylo
rozděleno na čtyři sektory v nichž se sečetly hodnoty magnetickeacute energie jednotlivyacutech
elementů v každeacutem kroku analyacutezy a tiacutem se ziacuteskal průběh množstviacute energie v daneacutem prostoru
na čase Objemovaacute hustota magnetickeacute energie byla zjišťovaacutena ve všech plochaacutech daneacute
geometrie a bylo možno sledovat jak se energie v čase přemisťuje
Obr 424 Geometrie varianty 3 mm
Obr 425 Geometrie varianty 5 mm
Obr 426 Geometrie varianty 3 mm-stineni
Obr 427 Geometrie varianty novy 1
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
45
Obr 428 Geometrie varianty novy 2
Přiacuteprava skriptů se od předchoziacutech vyacutepočtů lišila pouze v geometrii jinak byla
principiaacutelně stejnaacute Rozdiacutel byl však v čaacutesti post-processingu (ziacuteskaacutevaacuteniacute vyacutesledků) Aby bylo
možno přistupovat k jednotlivyacutem sektorům musel byacutet každyacute sektor definovaacuten vlastniacutem typem
elementů (elementy byly použity stejneacute jednaacute se pouze o čiacuteslovaacuteniacute) Byly použity osmkraacutet
elementy PLANE53
ET153 Tx vinuti ET253 prostor uvnitr detektoru ET353 nerezovy obal ET453 detekcni prostor ET553 vzduchove okoli - horni ET653 vzduchove okoli - pravy ET753 vzduchove okoli - dolni ET853 vzduchove okoli - levy
Přiacuteklad načiacutetaacuteniacute vyacutesledků pro jeden typ elementů
POST1 prepnutiacute do postprocesoru allsel oznaceni vsech elementu vytvoreni pole pro ukadani hodnot DIMenergie1TABLEkroku11timeE zapsani nulovych hodnot na zacatek vektoru vysledku energie1(00)=0 energie1(01)=0 cyklus ve kterem se nacitaji vysledky jednotlivych kroku simulace doi1kroku1 APPEND 1 i nacteni daneho kroku eseltype1 vybrani elementu typu 1 GET e_count1 ELEM count vraci mnozstvi elementu daneho typu GET e_next ELEM 0 NXTH vraci nejnizsi adresu elementu daneho typu v promenne e_next energ1=0 vynulovani promenne cyklus ktery postupne prochazi vsechy elementy daneho typu doj1e_count11 GET e_energ1 ELEM e_next SENE ulozi do promene e_energ1 mnozstvi energie v elementu s adresou e_next
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
46
GET e_next ELEM e_next NXTH posune adresu elementu o jedna energ1=energ1+e_energ1 pricte mnozstvi energie e_energ1 do kumulativni promnenne energ1 enddo konec vnitrniho cyklu energie1(i0)=i zapise do pole vysledku cislu jirju simulace energie1(i1)=energ1 zapise do pole vysledku mnozstvi energie v cele plose s elementy daneho typu enddo konec vnejsiho cyklu zapis_energ zavolani makra pro zapis vysledku do souboru
422 Hodnoceniacute vyacutesledk ů V jednotlivyacutech sektorech se provedla suma magnetickeacute energie pro každyacute krok
simulace Vyacutesledkem jsou průběhy množstviacute energie v daneacute ploše v zaacutevislosti na krociacutech
simulace (čase) Jednotliveacute varianty byly hodnoceny na zaacutekladě porovnaacuteniacute průběhů se
staacutevajiacuteciacutem detektorem
Energie v Tx vinutiacute
000E+00
100E-03
200E-03
300E-03
400E-03
500E-03
600E-03
700E-03
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 429 Energie v Tx vinutiacute
Na grafu (obr 429) je vidět že množstviacute energie v Tx vinutiacute neniacute zaacutevisleacute na geometrii a je
daacuteno budiacuteciacutem signaacutelem v Tx vinutiacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
47
Energie unit ř detektoru
000E+00
200E-02
400E-02
600E-02
800E-02
100E-01
120E-01
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 430 Energie uvnitř detektoru
Na obr 430 je znaacutezorněno množstviacute energie v prostoru detektoru do ktereacuteho neniacute
započiacutetaacutena detekčniacute oblast ta je zobrazena na obr 432 V teacuteto čaacutesti neniacute pozorovaacutena žaacutednaacute
vyacuteraznaacute změna
Energie v nerezoveacutem obalu
000E+00
500E-05
100E-04
150E-04
200E-04
250E-04
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 431 Energie v nerezoveacutem obalu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
48
Vyacuteraznějšiacute změny se odehraacutevajiacute v nerezoveacutem obalu Nejmenšiacute množstviacute energie je v klasickeacute
3 mm tlusteacute a v 5 mm tlusteacute variantě U klasickeacute varianty se stiacuteněniacutem a u novyacutech naacutevrhů je
naacuterůst způsoben přibliacuteženiacutem nerezu k Tx vinutiacute
Energie v prostoru detek čniacuteho otvoru
000E+00
500E-03
100E-02
150E-02
200E-02
250E-02
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 432 Energie v prostoru detekčniacuteho otvoru
V oblasti detekčniacuteho otvoru je snaha o uchovaacuteniacute co největšiacuteho množstviacute energie neboť
zmenšeniacute energie vede ke sniacuteženiacute odezvy na kontaminant tedy ke sniacuteženiacute citlivosti detektoru
Z obr 432 je patrneacute že geometrickeacute uacutepravy detektoru (3 mm se stiacuteněniacutem novy 1 a novy 2)
vedou ke sniacuteženiacute množstviacute energie v tomto prostoru
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
49
Energie v horniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
100E-07
200E-07
300E-07
400E-07
500E-07
600E-07
700E-07
800E-07
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 433 Energie v horniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Energie v dolniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
100E-07
200E-07
300E-07
400E-07
500E-07
600E-07
700E-07
800E-07
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 434 Energie v dolniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Porovnajiacute-li se obr 433 a 434 je u variant 1 - 3 možneacute pozorovat rozdiacutely mezi horniacute a dolniacute
plochou Je zde na prvniacute pohled vidět jak horniacute oblouk snižuje množstviacute energie unikajiacuteciacute do
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
50
okoliacute Jako uacutečinneacute se z pohledu těchto sektorů jeviacute varianta klasickeacuteho detektoru se stiacuteněniacutem a
novyacute naacutevrh s dvojityacutemi stěnami
Energie v praveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
500E-06
100E-05
150E-05
200E-05
250E-05
300E-05
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 435 Energie v praveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Energie v leveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
500E-06
100E-05
150E-05
200E-05
250E-05
300E-05
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 436 Energie v leveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
51
Pravyacute a levyacute sektor je z důvodů symetrie stejnyacute na obrazciacutech 435 a 436 lze pozorovat tzv
metal free zoacutenu kteraacute se u detektorů udaacutevaacute Jednaacute se o prostor před a za detekčniacutem otvorem
ve ktereacutem se nesmiacute nachaacutezet žaacutednyacute kovovyacute materiaacutel (z důvodu ovlivňovaacuteniacute pole) snahou je
tuto zoacutenu co nejviacutece zmenšit Z grafů je patrneacute že novyacute naacutevrh s dvojityacutemi stěnami vykazuje
nejmenšiacute množstviacute energie v teacuteto oblasti Naopak u klasickeacute varianty se stiacuteněniacutem došlo k
vytlačeniacute pole z vnitřku detektoru praacutevě do těchto okolniacutech zoacuten
Na zaacutekladě těchto poznatků bude provedeno ověřeniacute na skutečnyacutech zařiacutezeniacutech Mezi
použitelneacute varianty připadaacute klasickaacute konstrukce doplněnaacute o stiacuteněniacute a novyacute naacutevrh s dvojityacutemi
stěnami U toho je však velkaacute hrozba sniacuteženiacute citlivosti způsobeneacute menšiacutem množstviacutem energie
v detekčniacutem prostoru
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
52
5 Zaacutevěr Ciacutelem předklaacutedaneacute praacutece je zlepšeniacute činnosti detektorů kovů přiacutepadně uacuteprava
technologie vyacuteroby při současneacutem sniacuteženiacute vyacuterobniacutech naacutekladů Předpokladem uacutespěšnyacutech
naacutevrhů byla podrobnaacute studie činnosti a principu těchto zařiacutezeniacute kteraacute jsou vyacuterobcem po
několik let uacutespěšně prodaacutevaacutena na světovyacutech trziacutech
Na zaacutekladě těchto požadavků byly provedeny některeacute testy ktereacute měly ověřit
předpoklaacutedanaacute zlepšeniacute Nejširšiacute možnosti přinaacutešiacute modelovaacuteniacute magnetickeacuteho pole
průmyslovyacutech detektorů počiacutetačovou simulaciacute kteraacute je zatiacutem schopna řešit zadaneacute probleacutemy
v dvourozměrneacutem prostoru Nejčastěji řešeneacute probleacutemy jsou staacutele spojeny se zaacutekladniacutem
principem činnosti těchto zařiacutezeniacute tj vlivem a působeniacutem kontaminantu na
elektromagnetickeacute pole buzeneacute ciacutevkami uvnitř detektoru a nepřiacuteznivyacute vliv vnějšiacutech rušivyacutech
poliacute např při současneacute činnosti sousedniacutech detektorů Dalšiacutem zdrojem rušivyacutech magnetickyacutech
poliacute může byacutet i činnost a přiacutetomnost různyacutech elektrickyacutech zařiacutezeniacute probleacutem spojenyacute s
vhodnyacutem materiaacutelem a tvarem stiacuteněniacute těchto zařiacutezeniacute
Vzhledem k maximaacutelniacute citlivosti elektronickyacutech obvodů a požadovaneacute pečlivosti při
balancovaacuteniacute (vyvažovaacuteniacute) se vyskytuje probleacutem kteryacute souvisiacute se staacutelostiacute nastaveniacute detektoru
při mechanickeacutem otřesu přiacutepadně odstraněniacute změn ke kteryacutem dochaacuteziacute vlivem dopravy
Dalšiacutem plaacutenovanyacutem krokem je namodelovaacuteniacute probleacutemu v trojrozměrneacutem prostoru od
ktereacuteho je očekaacutevaacuteno zohledněniacute dalšiacutech vlivů a tiacutem zpřesněniacute samotneacuteho vyacutesledku
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
53
6 Použitaacute literatura [1] Internetoveacute straacutenky společnosti Loma Systems sro
httpwwwlomacom_czindexshtml
[2] Haacutejek J Jarchovskyacute Z Detektory kovů - naacutevod na stavbu nakladatelstviacute BEN Praha
2010
[3] Beneda L Detektory kovů bakalaacuteřskaacute praacutece ZČU Plzeň 2010
[4] Internetoveacute straacutenky společnosti Ad controls sro
httpwwwadcontrolsczdetektory_kovu_zakladni_pojmy
[5] KOVOHUTĚ ROKYCANY as COMTES FHT as MATEX sro Průběžnaacute
zpraacuteva k projektu FeNi - čj 1021207 - 32 za rok (2007 - 2009)
[6] Ansys Inc ANSYS HELP Release 130 Dokumentace k programu
[7] Karban P a kolektiv autorů Aplikace teoretickeacute elektrotechniky Skripta ZČU Plzeň
2011
[8] Benešovaacute Z Ulrych B Přiacuteručka pro použitiacute programů ve vyacuteuce teorie
elektromagnetickeacuteho pole Skripta ZČU Plzeň 1997
[9] Loma Systems sro Knowledge Base - Interniacute dokumentace společnosti
[10] Internetoveacute straacutenky společnosti Aerospace specification metals Inc
httpasmmatwebcomsearchSpecificMaterialaspbassnum=MQ304A
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
1
7 Přiacutelohy
71 Tvorba geometrie PREP7 prepnuti do rezimu preprocesingu jj=8 index polohy kontaminantu r1=05e-3 polomer Tx vodice 05 mm r2=15e-3 polomer kontaminantu 15 mm c=90e-3 sirka Rx civek h=1767e-3 vzdalenost mezi Tx vinutim hrx=(h2)+526e-3 zakladni vyskova poloha mezi Rx civkami hss=175e-3 vyska nerezoveho krytu wss=150e-3 sirka nerezoveho krytu tss=3e-3 tloustka nerezove steny hd=h-227e-3 vyska detekcniho otvoru wok=1000e-3 sirka vzduchoveho okoli hok=1000e-3 vyska vzduchoveho okoli wkon=(-250e-3)+(jj20e-3) poloha kontaminantu na ose X tvorba geometrickych bodu nerezoveho krytu K1022589e-30 K2022185e-30 K3-7907e-321208e-30 K4-78e-32085e-30 K57907e-321208e-30 K678e-32085e-30 K7-wsshss0 K8-wss+tsshss-tss0 K9wsshss0 K10wss-tsshss-tss0 K11-wss-hss0 K12-wss+tss-hss+tss0 K13wss-hss0 K14wss-tss-hss+tss0 vytvoreni ploch definovanymi body FLST273 FITEM27 FITEM23 FITEM21 FITEM25 FITEM29 FITEM213 FITEM211 AP51X FLST273 FITEM28 FITEM24 FITEM22 FITEM26 FITEM210 FITEM214 FITEM212 AP51X CYL40h2r1 plocha horniho Tx vodice CYL40-h2r1 ploch dolniho Tx vodice BLC50((h2)+hrx)2100e-310e-3 plocha horniho vzduchoveho okoli Tx vodice BLC50-((h2)+hrx)2100e-310e-3 plocha dolniho vzduchoveho okoli Tx vodice BLC5002wsshd plocha detekcniho ootvoru APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch odstraneni ploch ktere budou sjednoceny se vzduchovym okolim
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
2
FLST255ORDE4 FITEM210 FITEM2-12 FITEM215 FITEM218 ADELEP51X BLC500wokhok vytvoreni plochy vzduchoveho okoli APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch CYL4wkon0r2 vytvoreni plochy kontaminantu APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch konec tvorby geometrickeho modelu
72 Definice element ů materiaacutel ů a jejich p řiřazeniacute k plochaacutem definovani materialu MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX11 material 1 Tx permeabilita 1 MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX21 material 2 Air permeabilita 1 MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX31008 material 3 nerezovy kryt SS ANSI 304 permeabilita MPTEMP MPTEMP10 MPDATARSVX372e-7 material 3 nerezoovy kryt SS Ansi 304 rezistivita MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX4400 material 4 Kontaminant permeabilita MPTEMP MPTEMP10 MPDATARSVX4102e-7 material 4 Kontaminant rezistivita definovani elementu ET153 Tx civky ET253 Vzduch ET353 nerezovy kryt ET453 kontaminant nastaveni elementu KEYOPT110 Tx civky KEYOPT120 KEYOPT130 KEYOPT140 KEYOPT150 KEYOPT170 KEYOPT210 Air KEYOPT220 KEYOPT230 KEYOPT240 KEYOPT250 KEYOPT270 KEYOPT310 SS KEYOPT320 KEYOPT330 KEYOPT340 KEYOPT350
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
3
KEYOPT370 KEYOPT410 kontaminant KEYOPT420 KEYOPT430 KEYOPT440 KEYOPT450 KEYOPT470 prirazeni elementu a materialum k plocham FLST525ORDE2 Tx FITEM58 FITEM5-9 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 1 1 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 FLST535ORDE3 Air FITEM53 FITEM516 FITEM5-17 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 2 2 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 FLST525ORDE2 SS FITEM513 FITEM5-14 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 3 3 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 CM_YAREA kontaminant ASEL 1 CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 4 4 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
4
73 Siacuteťovaacuteniacute oblastiacute FLST275ORDE7 FITEM21 FITEM28 FITEM2-9 FITEM213 FITEM2-14 FITEM216 FITEM2-17 AESIZEP51X00005 nastaveni delky steny elementu 00005 m FLST215ORDE1 FITEM23 AESIZEP51X001 nastaveni delky steny elementu 001 m MSHAPE12D nastaveni 2D trojuhelnikove site MSHKEY0 FLST585ORDE8 FITEM51 FITEM53 FITEM58 FITEM5-9 FITEM513 FITEM5-14 FITEM516 FITEM5-17 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CHKMSHAREA CMSELS_Y AMESH_Y1 spusteni automatickeho sitovani CMDELE_Y CMDELE_Y1 CMDELE_Y2
74 Okrajovaacute podmiacutenka a nastaveniacute budiciacuteho pr ůběhu okrajova podminka FLST244ORDE4 FITEM214 FITEM212 FITEM27 FITEM25 DLP51X AZ0 nastaveni zatizeni parametry budici proudove hustoty f=35e3 frekvence signalu [Hz] part=600 pocet kroku signalu T_min=0 pocatek casove osy T_max=1f konec casove osy dt=T_maxpart casovy krok parametry prudove hustoty pi=4atan(1) s=pir12 I=600sqrt(2) N1=1 J1_a=IN1s definovani vzestupne casti pulsu tau=3 DIMJexTABLE5011timeJ Jex(11)=0
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
5
Jex(10)=0 doi2501 Jex(i1)=(J1_a)(1-exp(-itau)) Jex(i0)=(i) enddo definovani sestupne casti pulsu tau=3 DIMJex1TABLE5011timeJ Jex1(11)=J1_a Jex1(10)=0 doi2501 Jex1(i1)=(J1_a)(exp(-itau)) Jex1(i0)=(i) enddo sestaveni celeho pulsu DIMJex2TABLE10011timeJ Jex2(11)=0 Jex2(10)=0 doi2501 Jex2(i1)=Jex(i1) Jex2(i0)=(i) enddo doi511001 Jex2(i1)=Jex1(i-501) Jex2(i0)=(i) enddo priprava nulovych vektoru kladneho a zaporneho prubehu J DIMJ1TABLE60011timeJ DIMmJ1TABLE60011timeJ doi16001 J1(i0)=(i-1)dt time J1(i1)=0 J mJ1(i0)=(i-1)dt time mJ1(i1)=0 -J enddo vlozeni prvniho pulsu doi11001 J1(i1)=Jex2(i1) mJ1(i1)=-Jex2(i1) enddo vlozeni druheho pulsu doi3004001 J1(i1)=-Jex2(i-3001) mJ1(i1)=Jex2(i-3001) enddo prirazeni prubehu k plocham PREP7 FLST215ORDE1 FITEM28 BFAP51XJSJ1 FLST215ORDE1 FITEM29 BFAP51XJSmJ1
75 Nastaveniacute analyacutezy SOL prepnuti do Solution modu - nastaveni analyzy kroku=300 pocet kroku simulace ANTYPE4 TRNOPTFULL
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
6
NSUBSTkroku00 OUTRESERASE OUTRESALL1 TIMET_max solve spusti vypocet ulohy
76 Postprocessing POST1 prepne do Preprocesing modu krokyb=200 pocet kroku na delku coilgapu L=03 delka Rx snimace hrx1=(h2)+10e-3 jednotlive vyskove pozice Rx vinuti hrx2=(h2)+526e-3 hrx3=(h2) hrx4=((h2)-526e-3) hrx5=((h2)-10e-3) vytvoreni pole hodnot - 10 sloupcu x 300 radku sloupce odpovidaji poctu jednotlivych civek 2x5 (5 poloh horni a dolni civka) DIMTOKTABLEkroku101SUBSTEP TOK(00)=0 TOK(01)=0 TOK(02)=0 TOK(03)=0 TOK(04)=0 TOK(05)=0 TOK(06)=0 TOK(07)=0 TOK(08)=0 TOK(09)=0 TOK(010)=0 dok1kroku1 hlavni cyklus pocet cyklu odpovida poctu kroku analyzy APPEND 1 k nacteni k-teho kroku analyzy tato cast kodu je nutna pro kazdou civku zvlast (10x se opakuje) PATHHORNI26krokyb-1 definovani cesty horni civky PPATH10-c2hrx10 levy koncovy bod PPATH20c2hrx10 pravy koncovy bod PDEF BYAVG namapovani Y-slozky magneticke indukce B PCALCINTGINT_HORBYXGL vypocet integralu z By podle dX PBCPATH 0 PAGETHORNI1_TABL ulozeni hodnot ziskanych na definovane ceste do pole HORNI1_ PADELALL smazani cesty i s hodnotamy (pole HORNI1_ zustava) konec opakujici se casti prirazovani posledni hodnoty integralu do prislusneho pole vysledku TOK(k0)=k casova osa TOK(k1)=HORNI1_(krokyb6) TOK(k2)=DOLNI1_(krokyb6) TOK(k3)=HORNI2_(krokyb6) TOK(k4)=DOLNI2_(krokyb6) TOK(k5)=HORNI3_(krokyb6) TOK(k6)=DOLNI3_(krokyb6) TOK(k7)=HORNI4_(krokyb6) TOK(k8)=DOLNI4_(krokyb6) TOK(k9)=HORNI5_(krokyb6) TOK(k10)=DOLNI5_(krokyb6) DELPRM_ smaze vsechny pole vysledku koncici znakem _ enddo konec cyklu zapis_tok odkaz na skript pro zapsani pole vysledku do souboru txt
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
7
77 Makro Vyacutepis makra ktereacute uklaacutedaacute hodnoty do souboru tok_fitxt
MWRITETOK(111)tok_fitxt vytvori soubor tok_fitxt a ulozi do
nej matici vysletku TOK
(10E135) urcuje format zapisu hodnot - 10
sloupcu cisel o celkove delce 13ti
znaku z toho 5 za desetinou teckou
CFCLOS uzavre soubor
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
8
Eviden čniacute list
Souhlasiacutem s tiacutem aby moje bakalaacuteřskaacute praacutece byla půjčovaacutena k prezenčniacutemu studiu v
Univerzitniacute knihově ZČU v Plzni
Datum Podpis
Uživatel stvrzuje svyacutem čitelnyacutem podpisem že tuto bakalaacuteřskou praacuteci použil ke studijniacutem
uacutečelům a prohlašuje že ji uvede mezi použityacutemi prameny
Jmeacuteno Fakultakatedra Datum Podpis
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
10
Uacutevod Po zveřejněniacute bakalaacuteřskeacute praacutece Detektory kovů projevila společnost Loma Systems
sro zaacutejem o spolupraacuteci v oblasti vyacuteroby a vyacutevoje průmyslovyacutech detektorů kovu
Společnosti Loma a Cintex byly založeny před 30 lety a jsou předniacutemi světovyacutemi
producenty v oblasti potravinovyacutech farmaceutickyacutech a textilniacutech kontrolniacutech systeacutemů ndash
detektorů kovu rentgenoveacute kontroly a zařiacutezeniacute kontrolniacuteho vaacuteženiacute Sveacute prestižniacute postaveniacute
ziacuteskaly diacuteky sveacute trvaleacute kvalitě a pokročilyacutem technologiiacutem což je vyacutesledkem neustaacuteleacuteho a
rozsaacutehleacuteho vyacutezkumneacuteho a vyacutevojoveacuteho programu
Hlavniacute siacutedlo je ve Farnborough ve Velkeacute Britaacutenii Vyacutezkumnaacute a vyacutevojovaacute centra jsou
jak ve Velkeacute Britaacutenii tak v Chicagu ve Spojenyacutech staacutetech a nyniacute se zřizuje i zde v Českeacute
republice Většina vyacuteroby je ve Velkeacute Britaacutenii a Chicagu nyniacute se postupně přesouvaacute do nově
zřiacutezeneacute provozovny v Českeacute republice (Dobřany) Společnost maacute takeacute přiacutemeacute prodejniacute a
servisniacute zastoupeniacute ve Francii Německu Nizozemiacute Čiacuteně Kanadě a USA Mimo tyto oblasti
těsně spolupracuje s distributory a podiacuteliacute se vyacuterobou a dodaacutevkami součaacutestek pro vyacuterobce ve
viacutece než 35 zemiacutech po celeacutem světě aby zajistila že se zaacutekazniacutekům dostaacutevaacute plneacuteho servisu a
podpory ať už se nachaacutezejiacute kdekoliv [1]
Ciacutelem společnosti je vytvořeniacute kolektivu pracovniacuteků v ČR kteřiacute se již v teorii detekce
kovů orientujiacute a jsou schopni pracovat na probleacutemech a slabyacutech straacutenkaacutech vyacuteroby a podiacutelet se
na vyacutevoji novyacutech detektorů Po dohodě byl vymezen okruh probleacutemů ve kteryacutech by bylo
vhodneacute proveacutest určitaacute zlepšeniacute jak po straacutence technickeacute tak technologickeacute s ohledem na
ekonomickeacute uacutespory a zlepšeniacute vyacuterobniacuteho procesu
V teacuteto praacuteci je uveden popis principu staacutevajiacuteciacuteho zařiacutezeniacute společnosti Loma Systems
sro postup vyšetřovaacuteniacute magnetickeacuteho pole tohoto zařiacutezeniacute a naacutevrh optimalizace z pohledu
zlepšeniacute kvality detekce a stiacuteněniacute elektromagnetickeacuteho pole
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
11
1 Zaacutekladniacute fyzikaacutelniacute principy detektor ů kovu Principy detektorů kovů jsou založeny na využiacutevaacuteniacute specifickyacutech vlastnostiacute kovů
Kovy se od okolniacutech materiaacutelů lišiacute hlavně
bull měrnyacutem elektrickyacutem odporem
bull magnetickyacutemi vlastnostmi
Většina hledanyacutech objektů je energeticky pasivniacute proto je pro jejich detekci potřeba
energii dodaacutevat Dodaacutevanaacute energie je většinou vyzařovaacutena detektorem čaacutestiacute kteraacute maacute funkci
vysiacutelače Vysiacutelanaacute energie může byacutet akustickaacute na tomto principu funguje sonar nebo
elektromagnetickaacute což je princip většiny detektorů od radarů přes průmysloveacute detektory až k
tzv minohledačkaacutem Zde se využiacutevaacute vyacuteše jmenovanyacutech odlišnostiacute ktereacute majiacute vliv na
pohlcenou odraacuteženou a zbytkovou energii kteraacute je detekovanyacutem objektem vyzařovaacutena zpět
nebo jinyacutem způsobem deformuje elektromagnetickeacute pole Množstviacute pohlceneacute energie je daacuteno
matematickyacutem vyacuterazem (11) kteryacute určuje tzv hloubku vniku δ ve ktereacute se přivedenaacute energie
vlivem viacuteřivyacutech proudů sniacutežiacute na polovinu
( )mmicroωρδ
sdotsdot= 2
(11)
kde micro = micro0 micror
Vyacuteraz (11) je třeba uvažovat při řešeniacute energie pohlceneacute nebo odraacuteženeacute z hlediska volby
frekvence vysiacutelaneacute energie neboť
( )12 minussdotsdot= sfπω (12)
Druhou skupinu tvořiacute objekty ktereacute do sveacuteho okoliacute nějakou formou energii vyzařujiacute
Vyzařovanaacute energie může byacutet
bull akustickaacute (lokalizovaacuteniacute polohy ponorek)
bull elektromagnetickaacute (vyzařovaacuteniacute většiny elektrickyacutech zařiacutezeniacute točivyacutech i netočivyacutech
lokalizovaacuteniacute letadel ndash systeacutem TAMARA)
bull tepelnaacute (termovize tepelneacute navaacuteděniacute řiacutezenyacutech střel)
bull gama zaacuteřeniacute (vyhledaacutevaacuteniacute izotopů)
Zvlaacuteštniacutem přiacutepadem je situace kdy hledanyacute objekt i detektor jsou pasivniacute a k detekci je
využiacutevaacutena změna energie z ciziacuteho zdroje Konkreacutetniacutem přiacutepadem je přiacutestroj nazyacutevanyacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
12
magnetometr kteryacute detekuje objekty na zaacutekladě změny intenzity magnetickeacuteho pole země
vyvolaneacute hledanyacutem objektem Deformaci magnetickeacuteho pole země nezpůsobujiacute pouze kovy
ale i jineacute nehomogenity jako jsou jeskyně dutiny nebo remanentniacute magnetickeacute pole [2]
2 Principy aktivniacutech elektromagnetickyacutech detektor ů kovu
Pro detekci jsou obecně využiacutevaacuteny změny sniacutemaneacute veličiny ktereacute jsou způsobeny
hledanyacutem předmětem materiaacutelem Při vyhledaacutevaacuteniacute objektů elektromagnetickyacutem polem se
využiacutevaacute dvou materiaacutelovyacutech vlastnostiacute způsobujiacuteciacute jeho deformaci Zaprveacute je to deformace
pole feromagnetickyacutem materiaacutelem (např permaloy ferit železo) jehož magnetickaacute vodivost
převyšuje vodivost elektrickou a způsobuje soustředěniacute siločar pole do objektu obr 21
Obr 21 Feromagnetickyacute objekt Obr 22 Neferomagnetickyacute objekt
Materiaacutely u kteryacutech převyšuje elektrickaacute vodivost nad magnetickou (např měď hliniacutek)
uplatňujiacute druhyacute princip a tiacutem je deformace původniacuteho pole polem sekundaacuterniacutem Sekundaacuterniacute
pole vznikaacute viacuteřivyacutemi proudy naindukovanyacutemi ve vodiveacutem předmětu vystaveneacutemu původniacutemu
poli Ze zaacutekona o zachovaacuteniacute energie plyne že sekundaacuterniacute pole působiacute proti původniacutemu
Naacutesledkem tohoto jevu dojde k obtečeniacute objektu siločarami původniacuteho vyzařovaneacuteho pole
obr 22 [3]
21 Princip balan čniacutech detektor ů Většina průmyslovyacutech detektorů kovu pracuje na balančniacutem principu podrobnyacute popis
ostatniacutech principů je uveden napřiacuteklad ve [3]
Tento princip je založen na vyvaacuteženyacutech (vybalancovanyacutech) ciacutevkaacutech (IB ndash Induction
Balance) Z toho plyne že hledaciacute sonda je složena z minimaacutelně dvou ciacutevek popřiacutepadě dvou
systeacutemů ciacutevek z nichž jeden je vysiacutelaciacute a druhyacute pracuje jako přijiacutemač (Transmitter Receiver
ndash TR) Tyto detektory byacutevajiacute označovaacuteny TR-IB V přiacutepadě dvou ciacutevek je přijiacutemaciacute ciacutevka
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
13
umiacutestěna vzhledem k vysiacutelaciacute ciacutevce tak že naindukovaneacute napětiacute při nepřiacutetomnosti kovu je
rovno nule tzv uspořaacutedaacuteniacute překryacutevanyacutech ciacutevek tvaru D Stejneacuteho efektu lze dosaacutehnou při
pozici ciacutevek vzaacutejemně pootočenyacutech o 90deg Jestliže je na straně přiacutejmu soustava dvou ciacutevek
umiacutestiacute se vzhledem k vysiacutelaciacute ciacutevce tak že v nepřiacutetomnosti kovu se do ciacutevek indukuje stejně
velkeacute napětiacute ktereacute se mezi sebou odečte Rozdiacutelu obou napětiacute na přijiacutemaciacutech ciacutevkaacutech je roven
nule (obr 23)
Obr 23 Uspořaacutedaacuteniacute systeacutemu ciacutevek Jakaacutekoliv deformace pole vysiacutelaciacute ciacutevky maacute za naacutesledek porušeniacute rovnovaacutehy a na přijiacutemaciacute
straně se objeviacute napětiacute indikujiacuteciacute přiacutetomnost kovu Indukovaneacute napětiacute v přijiacutemaciacute ciacutevce lze
matematicky popsat vztahem (21)
( )ϕω +sdotsdot= tAU sin (21)
kde A amplituda signaacutelu
ω uacutehlovaacute frekvence signaacutelu
φ faacutezovyacute posuv oproti vysiacutelaneacutemu signaacutelu
Pokud se pod ciacutevkami nachaacuteziacute elektricky vodivyacute objekt z neferomagnetickeacuteho
materiaacutelu je pole deformovaacuteno sekundaacuterniacutem polem způsobenyacutem viacuteřivyacutemi proudy ktereacute
působiacute proti poli původniacutemu Pak přijiacutemaneacute napětiacute UPN v přijiacutemaciacute ciacutevce bude miacutet maximaacutelniacute
hodnotu v okamžiku největšiacute změny vysiacutelaneacuteho napětiacute UV V přiacutepadě indikace
feromagnetickeacuteho materiaacutelu je indukovaneacute napětiacute UPF ve faacutezi s vysiacutelaciacutem napětiacutem Protože je
v praxi nemožneacute dosaacutehnout absolutniacuteho vyvaacuteženiacute ciacutevek bude v přijiacutemaciacute ciacutevce vždy nějakeacute
maleacute napětiacute Na obr 24 jsou ideaacutelniacute přijiacutemaneacute signaacutely pro různeacute druhy kontaminantů U
obecnyacutech materiaacutelů se ve skutečnosti uplatňujiacute jak feromagnetickeacute vlastnosti tak vodivostniacute
Z tohoto důvodu bude miacutet napětiacute UP indukovaneacute v přijiacutemaciacute ciacutevce faacutezovyacute posuv oproti
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
14
vysiacutelaneacutemu v intervalu
20π
[2]
Obr 24 Průběhy napětiacute UV ndash vysiacutelaneacute napětiacute UPF ndash ideaacutelniacute přijiacutemaneacute napětiacute (feromagnetickyacute materiaacutel) UPN ndash ideaacutelniacute přijiacutemaneacute napětiacute (neferomagnetickyacute materiaacutel) UP ndash skutečneacute přijiacutemaneacute napětiacute [2]
Existujiacute různeacute možnosti dociacuteleniacute nuloveacuteho klidoveacuteho přenosu mezi ciacutevkami Zaprveacute
prostorovyacutem odděleniacutem kdy osy ciacutevek mezi sebou sviacuterajiacute uacutehel 90deg vysiacutelaciacute ciacutevka je uložena
svisle a přijiacutemaciacute ciacutevka vodorovně obr 25 Tyto detektory byly nazyacutevaacuteny bdquoTwo boxldquo [2]
Obr 25 Princip prostoroveacuteho uspořaacutedaacuteniacute 90deg ciacutevek [2]
V druheacutem přiacutepadě jsou obě ciacutevky uloženy vodorovně ale jejich prostoroveacute uspořaacutedaacuteniacute se voliacute
takoveacute aby byla vzaacutejemnaacute indukčnost nulovaacute Toho je dociacuteleno tiacutem že přijiacutemaciacute ciacutevkou
U (V)
t (s)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
15
prochaacuteziacute stejneacute množstviacute siločar vysiacutelaciacute ciacutevky v jednom i druheacutem směru a tiacutem dochaacuteziacute ke
kompenzaci (vyrušeniacute) jejich uacutečinku obr 26
Obr 26 Princip prostoroveacuteho uspořaacutedaacuteniacute překryacutevajiacuteciacutech se ciacutevek [2]
Společnosti vyraacutebějiacuteciacute průmysloveacute detektory kovů majiacute většinou sveacute specifickeacute uspořaacutedaacuteniacute
ciacutevek
Obr 27 Viacutece ciacutevkoveacute uspořaacutedaacuteniacute detektoru společnosti Ad controls sro a jeho skutečneacute provedeniacute [4]
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
16
Obr 28 Třiacute ciacutevkoveacute uspořaacutedaacuteniacute detektoru společnosti Loma Systems sro
Kvalita detektoru je daacutena předevšiacutem ciacutevkovou soustavou a neměnnostiacute jejiacutech vlastnostiacute a daacutele
volbou pracovniacuteho kmitočtu Špičkou mezi dnešniacutemi detektory jsou zařiacutezeniacute umožňujiacuteciacute
činnost při různyacutech budiacuteciacutech kmitočtech Vyacutehodou těchto systeacutemů je možnost použiacutevat viacutece
zařiacutezeniacute bliacutezko u sebe a hlavně možnost použitiacute různyacutech frekvenciacute pro rozdiacutelneacute produkty s
ohledem na citlivost a kvalitu detekce
3 Zařiacutezeniacute spole čnosti Loma Systems sro Podmiacutenkou k dalšiacute vyacutevojoveacute činnosti je podrobnaacute znalost vyraacuteběnyacutech zařiacutezeniacute a
vyacuterobniacutech technologiiacute v daneacutem podniku
Obr 31 Detektor kovů IQ3 s dotykovyacutem ovlaacutedaacuteniacutem společnosti Loma Systems sro [1]
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
17
31 Obecneacute informace Jsou vyraacuteběny dva typy detektorů ktereacute pracujiacute na stejneacutem principu ale lišiacute se
vysiacutelaciacutemi průběhy budiacuteciacuteho napětiacute a možnostiacute pracovat na různyacutech kmitočtech
Staršiacute model označenyacute jako IQ2 je vyraacuteběnyacute ve třech variantaacutech jako farmaceutickyacute
detektor detektor s volnyacutem propadem produktu nebo detektor s produktem dopravovanyacutem
potrubiacutem Posledniacute dva jmenovaneacute jsou takeacute vyraacuteběny na zaacutekladě technologie IQ3 Tento
systeacutem umožňuje činnost detektoru na různyacutech budiacuteciacutech kmitočtech a je použit hlavně u
dopravniacutekovyacutech detektorů Detektor IQ2 pracuje na neměnneacute frekvenci 1 MHz
Dopravniacutekoveacute detektory jsou vyraacuteběny ve dvou variantaacutech normaacutelniacute (detekčniacute otvor
maacute stěny opatřeneacute vrstvou modreacuteho epoxidu) a detektory pro extreacutemně nepřiacutezniveacute podmiacutenky
(stěny detekčniacuteho otvoru jsou pokryty odolnyacutem plastem) ktereacute odolaacutevajiacute i vysokotlakeacutemu
vodniacutemu čištěniacute Obě varianty jsou vhodneacute i pro použitiacute v potravinaacuteřskeacutem průmyslu
Všechny detektory jsou schopny pracovat při siacuteťoveacutem napětiacute 110115200220230 V
50 nebo 60 Hz 1f 380400 V 5060 Hz 3f a majiacute stupeň krytiacute IP 69K což umožňuje uacutedržbu
vysokotlakyacutemi vodniacutemi čističi Ovlaacutedaacuteniacute a komunikace s detektorem je zajištěna LCD
displejem s tlačiacutetky nebo displejem dotykovyacutem Každyacute detektor je vybaven releacuteovyacutemi
vyacutestupy jimiž je možno ovlaacutedat chod dopravniacuteku vyřazovaciacute systeacutem signalizačniacute lampy či
klakson
Detektor jako takovyacute se sklaacutedaacute z jedneacute čaacutesti kde je jak samotnyacute detekčniacute otvor tak i
veškeraacute elektronika Detekčniacute otvor tvořiacute jaacutedro z tvrzeneacuteho papiacuteru (Tufnol) do ktereacuteho jsou
vlepeny vodiče ciacutevek Stěny detekčniacuteho otvoru jsou opatřeny modryacutem epoxidem nebo biacutelyacutem
polyethylenem (Acetal) kteryacute maacute většiacute mechanickou odolnost Celeacute zařiacutezeniacute je uzavřeno v
obalu z nerezoveacute oceli ANSI 304 (DIN 14301) tloušťky 3 mm Prostor mezi jaacutedrem a
nerezovyacutem obalem je vyplňovaacuten pěnivyacutem epoxidem
Elektronika detektoru obsahuje tři desky plošnyacutech spojů a ovlaacutedaciacute displej Hlavniacute
čaacutestiacute je řiacutediacuteciacute deska (Control board) na ktereacute se nachaacuteziacute blok napaacutejeciacuteho zdroje
vyhodnocovaciacute obvody paměti AD převodniacuteky signaacutelu a vstupniacutevyacutestupniacute obvody Dalšiacutemi
čaacutestmi jsou vysiacutelaciacute deska (Transmitter board) a deska přijiacutemače (Receiver board)
32 Vysiacutelaciacute čaacutest - Tx Postupneacute upouštěniacute od vyacuteroby zastaraleacute verze detektorů IQ2 je důvodem pro zaměřeniacute
teacuteto praacutece na detektory IQ3 Systeacutem IQ3 je multifrekvenčniacute založenyacute na balančniacutem principu
Oproti standardniacutem balančniacutem detektorům je zde vysiacutelaciacute ciacutevka buzena nespojityacutem signaacutelem
Vyacutehodou použitiacute tohoto signaacutelu je snadnaacute změna frekvence možnost řiacutezeniacute vysiacutelaciacuteho vyacutekonu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
18
a celkoveacute zvyacutešeniacute kvality detekce neboť rychlyacutem změnaacutem budiacuteciacuteho proudu odpoviacutedaacute velkaacute
změna magnetickeacuteho indukčniacuteho toku Dle Faradayova indukčniacuteho zaacutekona je velikost
indukovaneacuteho napětiacute daacutena rychlostiacute změny magnetickeacuteho indukčniacuteho toku (31)
tU i ∆
∆Φminus= (31)
Činnost Tx boardu (vysiacutelaciacute desky) je řiacutezena mikrokontrolerem kteryacute komunikuje s
Control boardem seacuteriovyacutem rozhraniacutem Deska umožňuje kontrolu napaacutejeniacute vysiacutelaciacuteho proudu
teploty a přiacutepadneacute přerušeniacute Tx vinutiacute (vysiacutelaciacute ciacutevky) Mikrokontroler řiacutediacute jak vysiacutelaciacute
průběh tak vyhodnocovaciacute obvody ktereacute jsou na Rx boardu (přijiacutemaciacute deska)
Na Tx board jsou přivaacuteděna napětiacute 12 V -12 V proti zemi použiacutevanaacute k buzeniacute Tx
vinutiacute Z kladneacuteho napětiacute se daacutele ziacuteskaacutevaacute napětiacute 33 V a 18 V pro napaacutejeniacute ostatniacutech obvodů
Budiacuteciacute signaacutel je kvůli požadovaneacutemu vysokeacutemu pulsniacutemu vyacutekonu odebiacuteraacuten z kondenzaacutetoroveacute
baterie Velikost odebiacuteraneacuteho proudu je měřena operačniacutem zesilovačem zapojenyacutem jako
převodniacutek IU
Vyacutekonovaacute čaacutest Tx boardu je tvořena čtyřmi MOSFET tranzistory řiacutezenyacutemi
mikrokontrolerem Vyacutekonoveacute tranzistory T1 až T4 jsou zapojeny dle obr 32
Obr 32 Zapojeniacute koncoveacute čaacutesti vysiacutelače
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
19
Vysiacutelaciacute ciacutevka je tvořena pouze jedniacutem zaacutevitem Cu draacutetu ϕ 1 mm jeho indukčnost a kapacita
je vzhledem k jeho vodivosti zanedbatelnaacute a při nižšiacutech frekvenciacutech se tedy chovaacute jako zkrat
Pokud je časovyacute posuv mezi U1 a U2 roven nule pak napětiacute UTX je takeacute rovno nule a Tx
ciacutevkou neteče žaacutednyacute proud obr 33
-12
-8
-4
0
4
8
12
16U1 (V)
-16
-12
-8
-4
0
4
8
12
16
000E+00 100E-05 200E-05 300E-05 400E-05 500E-05 600E-05
čas (s)
U2 (V)
Obr 331 Průběhy signaacutelů U1 a U2 přivaacuteděnyacutech na vyacutevody Tx vinutiacute V detektoru by se dala naměřit pouze elektrickaacute složka pole odpoviacutedajiacuteciacute původniacutemu signaacutelu
Pro detekci kovu je však důležiteacute elektromagnetickeacute pole kteraacute vznikaacute průchodem proudu
vinutiacutem Proudoveacuteho impulsu je dosaženo časovyacutem posunem mezi napětiacutemi U1 a U2
přivaacuteděnyacutemi na svorky Tx vinutiacute V tomto přiacutepadě potečou zkratoveacute proudoveacute pulsy
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
20
odpoviacutedajiacuteciacute připojeneacutemu napětiacute UTX viz obr 34 Vyacutekon detektoru je tedy řiacutezen časovyacutem
posunem mezi průběhy napětiacute U1 a U2 Tomuto časoveacutemu posuvu pak odpoviacutedaacute i velikost
odebiacuteraneacuteho proudu do Tx vinutiacute
-12
-8
-4
0
4
8
12
16U1 (V)
-12
-8
-4
0
4
8
12
16U2 (V)
000E+00 100E-05 200E-05 300E-05 400E-05 500E-05 600E-05
Čas (s)
I (A)
Obr 34 Časově posunutaacute napětiacute U1 U2 přivaacuteděnaacute na vyacutevody Tx vinutiacute a průběh proudu I v Tx vinutiacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
21
33 Přijiacutemaciacute čaacutest - Rx Zaacutekladem přijiacutemaciacute čaacutesti je soustava složenaacute ze dvou paralelně spojenyacutech Rx ciacutevek
podle obr 35 každaacute se dvěma zaacutevity U tohoto uspořaacutedaacuteniacute hraje důležitou roli smysl vinutiacute
Rx ciacutevek (označeniacute počaacutetku a konce vinutiacute) a jejich přesnaacute poloha Tx musiacute prochaacutezet přesně
v jedneacute polovině vzdaacutelenosti l
Obr 35 Geometrickeacute uspořaacutedaacuteniacute je voleno tak že pokud neprochaacuteziacute detektorem kontaminant napětiacute
indukovaneacute napaacutejenou ciacutevkou Tx do Rx ciacutevek je minimaacutelniacute
Jak bylo řečeno v kapitole 32 pro detekci kovu je podstatneacute elektromagnetickeacute pole
Elektrickeacute pole je odstraněno na primaacuterniacutem vinutiacute vstupniacuteho transformaacutetoru TR s dvojityacutem
primaacuterniacutem vinutiacutem zapojenyacutem proti sobě v poměru k sekundaacuterniacutemu vinutiacute 1+130 umiacutestěnyacutem
na Rx boardu Na obraacutezku 36 je zapojeniacute vstupniacuteho obvodu Rx boardu Elektrickaacute složka
pole maacute vůči zemi na obou vyacutevodech Rx ciacutevek stejnyacute průběh Primaacuterniacute vinutiacute TR maacute
vyvedenyacute střed na zem čiacutemž se elektrickaacute složka pole uzemniacute (teče proud) Protože jsou
Rx1 ciacutevka
Rx2 ciacutevka
Tx ciacutevka
l
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
22
průběhy na obou vyacutevodech stejneacute magnetickeacute toky v TR vyvolaneacute proudem působiacute proti sobě
a na sekundaacuterniacute vinutiacute se neindukuje žaacutedneacute napětiacute Dojde-li k narušeniacute magnetickeacuteho pole
uvnitř detekčniacuteho prostoru vznikaacute rozdiacutel naindukovaneacuteho napětiacute v leveacutem a praveacutem vodiči Rx
ciacutevky Tento rozdiacutel napětiacute maacute za naacutesledek tok proudu kteryacute se uzaviacuteraacute přes primaacuterniacute vinutiacute
TR1 a indukuje napětiacute na sekundaacuterniacute straně Toto napětiacute je daacutele zpracovaacutevaacuteno
Obr 36 Vstupniacute obvod Rx boardu
34 Princip vyhodnocovaacuteniacute Signaacutel na sekundaacuterniacutem vinutiacute transformaacutetoru TR je zpracovaacutevaacuten blokem obvodů pro
uacutepravu signaacutelu Ten obsahuje aktivniacute filtr a integračniacute člen s niacutezko-šumovyacutem operačniacutem
zesilovačem Za integračniacutem členem je měřiciacute bod kteryacute je využit při oživovaacuteniacute detektorů
Napětiacute Ub (balance signal) v tomto bodě se zobrazuje na osciloskopu a jeho maximaacutelniacute
hodnota by neměla přesaacutehnout 6 V špička - špička Čiacutem je rozkmit toho napětiacute nižšiacute tiacutem lze
dosaacutehnout vyššiacute citlivosti detektoru (kap 35 Vyvažovaacuteniacute detektoru) Nuloveacuteho rozkmitu
nelze dosaacutehnout mimo jineacute kvůli vyacuterobniacutem toleranciacutem zařiacutezeniacute a nehomogenitaacutem Citlivost
elektronickyacutech čaacutestiacute je velmi vysokaacute a uplatňujiacute se rušiveacute vlivy při jejich činnosti (vliv
teploty mechanickeacute chvěniacute) Napětiacute Ub odpoviacutedaacute vyrovnaacutevaciacutemu proudu v Rx ciacutevkaacutech
Přiacuteklad jeho průběhu bez kontaminantu je na obr 37
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
23
Obr 37 Přiacuteklad průběhu napětiacute Ub
Napětiacute Ub je přivaacuteděno na dva samostatneacute elektronickeacute obvody (řiacutezeneacute usměrňovače)
ovlaacutedaneacute řiacutediacuteciacutemi napětiacutemi z mikrokontroleru (na Tx boardu) Dvě řiacutediacuteciacute napětiacute jednoho
usměrňovače jsou vůči sobě o π posunuty a zaacuteroveň jsou posunuty o π2 proti dvěma řiacutediacuteciacutem
napětiacutem druheacuteho usměrňovače Vyacutesledkem jsou dva napěťoveacute signaacutely (P a Q) ktereacute jsou daacutele
zpracovaacutevaacuteny (integrace zesiacuteleniacute) s možnostiacute ručniacute volby zesiacuteleniacute ve čtyřech stupniacutech
(ovlaacutedaacuteniacute citlivosti detektoru) Tyto signaacutely jsou již nositelem informace a jsou na Control
boardu převedeny do digitaacutelniacute podoby Takto upraveneacute signaacutely jsou vyhodnocovaacuteny
algoritmy v hlavniacutem mikrokontroleru
35 Vyvažovaacuteniacute detektoru Zaacutekladem kvalitniacute a stabilniacute detekce je ciacutevkovyacute systeacutem Aby se dosaacutehlo co nejlepšiacuteho
vyvaacuteženiacute ciacutevek je nutnaacute přesnaacute bytelnaacute a rozměrově staacutelaacute konstrukce Detektory společnosti
Loma Systems sro majiacute ciacutevky uloženeacute ve vyfreacutezovanyacutech draacutežkaacutech a zajištěneacute epoxidovyacutem
lepidlem I přes to je detektor po osazeniacute elektronikou značně nevyvaacuteženyacute balančniacute napětiacute Ub
překračuje požadovanou hodnotu 6 V špička - špička natolik že může dojiacutet i k saturaci
elektronickyacutech obvodů Je tedy nutneacute ciacutevkovyacute systeacutem vyvaacutežit (vybalancovat)
Nejprve se provede hrubeacute laděniacute spočiacutevajiacuteciacute v tvarovaacuteniacute maleacute smyčky Tx vinutiacute v čele
detektoru obr 38
0 T2 T
25 V Ub
-25 V
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
24
Obr 38 Vyvažovaciacute očko na Tx vinutiacute a vlepenyacute pliacutešek uvnitř detekčniacuteho otvoru
Tato smyčka plniacute funkci kompenzačniacuteho vinutiacute po natvarovaacuteniacute je očko zaliteacute epoxidovyacutem
lepidlem U detektorů s vnitřniacute uacutepravou detekčniacuteho otvoru modryacutem epoxidem se do
detekčniacuteho otvoru daacutele vlepujiacute vyvažovaciacute pliacutešky různyacutech tvarů a velikostiacute (od 1 cm2 do 4
cm2) obr 38 ktereacute se naacutesledně zalijiacute do roviny modryacutem epoxidem Jako materiaacutel
vyvažovaciacutech pliacutešků je použita nerezovaacute ocel ANSI 304 (DIN 14301) tloušťky 2 mm Druhyacute
typ detektorů s odolnyacutem plastovyacutem povrchem (typ US) neumožňuje vlepovaacuteniacute pliacutešků
dovnitř detekčniacuteho otvoru Balancovaacuteniacute se tedy provaacutediacute přesnějšiacutem tvarovaacuteniacutem Tx očka
popřiacutepadě vlepovaacuteniacutem pliacutešků v jeho okoliacute
Pro jemneacute doladěniacute se u obou těchto variant (US typ a klasickyacute s modrou epoxidovou
vyacuteplniacute detekčniacuteho otvoru) osazujiacute balančniacute moduly obr 39 ktereacute na plastoveacutem otočneacutem diacutelu
majiacute tuning block o rozměrech cca 05 cm2 z 5 mm tlusteacuteho nerezu Oba balančniacute moduly
umožňujiacute pohyb tuning blocku v okoliacute vyvažovaciacuteho očka
Obr 39 Balančniacute moduly i s kryciacutemi plechy vlevo US vpravo klasickyacute
Tyto moduly nejsou přiacuteliš efektivniacute a sloužiacute pouze k miacuterneacutemu vyvaacuteženiacute Použiacutevajiacute se dva typy
Tuning block
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
25
těchto modulů podle varianty vnitřniacute vyacuteplně detektoru (US typ a klasickyacute s modrou
epoxidovou vyacuteplniacute detekčniacuteho otvoru) Jedniacutem z přijatyacutech naacutevrhů pro vylepšeniacute detektorů s
modrou epoxidovou vyacuteplniacute je použitiacute stejneacuteho balančniacuteho modulu jako u detektoru typu US
Vyacuterobniacute cena US balančniacuteho modulu je podstatně nižšiacute a umožňuje změnu polohy
vyvažovaciacuteho diacutelu nejen po obvodu kružnice ale i změnu vzdaacutelenosti mezi rovinami očka a
tuning bloku Změna teacuteto vzdaacutelenosti se využije v přiacutepadě kdy po osazeniacute detektoru s modrou
epoxidovou pryskyřiciacute balančniacutem modulem dojde ke zhoršeniacute vyvaacuteženiacute ktereacute pouhyacutem
natočeniacutem po kružnici nelze vykompenzovat Použiacutevaacuteniacutem pouze balančniacuteho modulu typu
US by se dosaacutehlo sniacuteženiacute počtu součaacutestek ve vyacuterobniacutem procesu sniacuteženiacute naacutekladů na vyacuterobu
detektoru s modrou epoxidovou vyacuteplniacute detekčniacuteho prostoru a odstranil by se i probleacutem
vznikajiacuteciacute při osazeniacute těchto detektorů balančniacutemi moduly
Dalšiacute naacutevrh se tyacutekal materiaacutelu použiteacuteho na tuning block Snahou bylo zvyacutešit vliv
tuning bloku natolik aby bylo možneacute vynechat kompenzačniacute očko čiacutemž by došlo k urychleniacute
laděniacute Byly testovaacuteny materiaacutely FeNi47ln5 tloušťky 03 mm a FeNi42 tloušťky 04 mm Byl
zvolen tvar kteryacute umožňoval použitiacute staacutevajiacuteciacutech US modulů obr 310 Vliv tuning blocků
se sice zvyacutešil nicmeacuteně ne natolik aby mohlo byacutet vyvažovaciacute očko zcela vynechaacuteno
Obr 310 Prototypy tuning blocků z novyacutech materiaacutelů
36 Vyacutestupniacute kontrola Před samotnou expediciacute detektoru je nutneacute proveacutest kontrolu detekce Kvalita detekce
je ověřovaacutena třemi typy kontaminantů neželeznyacute - NONFE (mosaz) železnyacute - FE (chromovaacute
ocel) a nerezovyacute - SS (ANSI 304) K tomu jsou určeny přiacutepravky na obr 311 a 312 Jednaacute
se o kuličky definovanyacutech průměrů ktereacute jsou zaliteacute v plastovyacutech tyčinkaacutech opatřenyacutech
rozměrovou specifikaciacute kontaminantu Barva tyček odlišuje použityacute typ kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
26
Obr 311 Testovaciacute vzorky pro dopravniacutekoveacute detektory
Obr 312 Testovaciacute vzorky pro farmaceutickeacute detektory
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
27
4 Optimalizace a stiacuten ěniacute detektoru Jedniacutem z bodů teacuteto praacutece je navrženiacute optimalizaciacute průmysloveacuteho detektoru kovu z
hlediska kvality detekce a vyšetřeniacute elektromagnetickeacuteho pole s ohledem na rušiveacute vlivy Z
počaacutetku byly provaacuteděny pokusy se stiacuteněniacutem ciacutevek s ohledem na rušeniacute vnějšiacutem
elektromagnetickyacutem polem Prvniacute uacutevahy vedly k použitiacute stiacuteniacuteciacuteho materiaacutelu s velkou
permeabilitou kteryacute by do sebe soustředil většiacute množstviacute indukčniacutech čar unikajiacuteciacutech do okoliacute
a tiacutem omezil vnějšiacute rušeniacute Na zaacutekladě teacuteto uacutevahy byly testovaacuteny dva materiaacutely FeNi47ln5
tloušťky 03 mm a FeNi42 tloušťky 04 mm ktereacute mohou dosahovat relativniacute permeability až
micror_12106 [5] Těmito pokusy se sice sniacutežilo množstviacute indukčniacutech čar magnetickeacuteho pole
unikajiacuteciacuteho z detektoru ale vlivem přiacuteliš velkeacute permeability bylo ovlivněno i pole uvnitř
detekčniacuteho prostoru kde došlo ke sniacuteženiacute citlivosti Tento naacutevrh měl dalšiacute negativniacute faktory
jako je vysokaacute cena použityacutech materiaacutelů a omezeneacute vyacuterobniacute možnosti nedostačujiacuteciacute šiacuteřkou
paacutesů což by vedlo ke sklaacutedaacuteniacute plechů vedle sebe a tiacutem ke vzniku nehomogenit
Aby byly optimalizace efektivniacute je třeba znaacutet rozloženiacute elektromagnetickeacuteho pole
uvnitř detektoru a vlivy ktereacute na něj působiacute Proto bylo přistoupeno k využitiacute počiacutetačoveacuteho
softwaru Ansys Jednaacute se o profesionaacutelniacute software založenyacute na metodě konečnyacutech prvků Je
určen předevšiacutem pro simulace mechanickeacuteho namaacutehaacuteniacute ale umožňuje i řešeniacute teplotniacutech
elektromagnetickyacutech a sdruženyacutech poliacute [6] Ansys byl vybraacuten předevšiacutem pro možnost řešeniacute i
3D probleacutemů V teacuteto praacuteci bylo z důvodů vyacutepočetniacute naacuteročnosti a velkeacuteho množstviacute
jednotlivyacutech vyacutepočtů přistoupeno k řešeniacute probleacutemu pouze ve dvourozměrneacutem prostoru V
tomto přiacutepadě je řešeno nestacionaacuterniacute magnetickeacute pole ktereacute popisuje rovnice (41) [7]
( ) extr JArotdt
dABArotrot =timesminus+
minus γυγmicro1
(41)
kde
BArot = (42)
A magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel
micro permeabilita
Br remanentniacute indukce
B magnetickaacute indukce
γ měrnaacute elektrickaacute vodivost
ν rychlost pohybu tělesa v magnetickeacutem poli
Jext vektor vnějšiacute proudoveacute hustoty
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
28
41 Vyšet řovaacuteniacute vlivu pozice Rx vinutiacute Nejprve byly provedeny simulace staacutevajiacuteciacuteho zařiacutezeniacute o rozměrech detekčniacuteho otvoru
150 mm x 350 mm Zaacutekladniacute geometrie probleacutemu je na obraacutezku 41 Pro řešeniacute zaacutekladniacuteho
probleacutemu by bylo možneacute použiacutet symetrii modelu pokud však model doplniacuteme o kontaminant
možnost teacuteto symetrie odpadaacute Byly provedeny tři seacuterie vyacutepočtů ktereacute se lišily materiaacutelem
kontaminantu Každaacute seacuterie se sklaacutedala z 24 samostatnyacutech vyacutepočtů ve kteryacutech se postupně
měnila pozice kontaminantu tak jako je tomu při skutečneacute situaci na dopravniacutem paacutesu
Použityacutem APDL skriptem by bylo možneacute řešit i průchody kontaminantu v různyacutech vyacuteškaacutech
detekčniacuteho otvoru Pro potřeby těchto vyacutepočtů byl průchod zvolen středem jelikož je zde
citlivost detektoru nejnižšiacute Nutno poukaacutezat na skutečnost že kontaminant reprezentovanyacute
kružniciacute v řezu detektoru nelze považovat za kulovyacute nyacutebrž za vodič kruhoveacuteho průřezu
stejneacute deacutelky jako Tx respektive Rx vinutiacute Rozmeziacute pohybu kontaminantu bylo od -230 mm
do 230 mm vůči Tx vinutiacute s krokem 20 mm Obdeacutelniacuteky v okoliacute Tx vinutiacute byly vytvořeny za
uacutečelem možnosti zjemněniacute vyacutepočetniacute siacutetě v prostoru Tx a Rx vinutiacute Na obraacutezku 41 nejsou
namodelovaacuteny Rx ciacutevky neboť hodnota naindukovaneacuteho napětiacute byla ziacuteskaacutevaacutena v pěti
různyacutech vyacuteškovyacutech poziciacutech a bylo hodnoceno indukovaneacute napětiacute Ui
Obr 41 Zaacutekladniacute geometrie
nerezovyacute kryt
vodiče Tx vinutiacute
kontaminant
obdeacutelniacuteky vzduchoveacuteho okoliacute s jemnějšiacute vyacutepočetniacute siacutetiacute střed souřadneacuteho
systeacutemu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
29
411 Preprocessing - p řiacuteprava skriptu Nejprve bylo nutneacute zjistit geometrickeacute rozměry a materiaacuteloveacute konstanty zkoumaneacuteho
detektoru Geometrickeacute rozměry byly ziacuteskaacuteny z databaacuteze Solidworks modelů společnosti
Loma Systems sro V kapitole 71 je uacuteryvek APDL skriptu pro tvorbu geometrie
Materiaacutely použiteacute v modelu jsou vzduch vodiče Tx vinutiacute nerezovyacute obal detektoru a
materiaacutely kontaminantů V raacutemci zjednodušeniacute modelu nebyly uvažovaacuteny PVC izolace Tx
vinutiacute samotneacute Tufneloveacute jaacutedro a materiaacutel s niacutemž je prostor mezi jaacutedrem a nerezovyacutem
krytem vyplněn neboť tyto materiaacutely vykazujiacute z pohledu šiacuteřeniacute elektromagnetickeacuteho pole
stejneacute vlastnosti jako vzduch Konkreacutetniacute hodnoty materiaacutelovyacutech konstant viz tabulka 41
odpor Tx vinutiacute nebyl uvažovaacuten neboť jeho plochy byly zatiacuteženy definovanou proudovou
hustotou tudiacutež neniacute možneacute uvažovat přiacutepadně naindukovaneacute viacuteřiveacute proudy Daacutele bylo nutneacute
zvolit a spraacutevně nastavit použiteacute elementy modelu
Tab 41 Materiaacuteloveacute vlastnosti
měrnaacute
permeabilita [-] měrnyacute elektrickyacute
odpor [Ωm]
vzduch 1 -
Tx vinutiacute 1 -
nerezovaacute ocel (ANSI 304 DIN 14301)
1008 [10] 72010-7
neželeznyacute kontaminant (mosaz)
1 75010-8
železnyacute kontaminant (chromovaacute ocel)
400 12010-7
nerezovyacute kontaminant (ANSI 304 DIN 14301) 1008 72010-7
Jako elementy daneacuteho modelu byly zvoleny elementy PLANE53 určeneacute pro řešeniacute
magnetickeacuteho pole Jednaacute se o osmi uzloveacute elementy ktereacute mohou miacutet až čtyři stupně
volnosti na uzel Stupně volnosti mohou byacutet magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel (AZ) časově
integrovanyacute elektrickyacute skalaacuterniacute potenciaacutel (VOLT) elektrickyacute proud (CURR) a
elektromotorickaacute siacutela (EMF) [6] Geometrie elementu na obr 42
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
30
Obr 42 Geometrie elementu PLANE53 [6]
Uacuteryvek koacutedu v kapitole 72 obsahuje definovaacuteniacute materiaacutelovyacutech vlastnostiacute definovaacuteniacute
elementů a jejich nastaveniacute V dalšiacute časti bylo nutneacute jednotliveacute materiaacutely a elementy přiřadit
danyacutem plochaacutem
Daacutele bylo zapotřebiacute nastavit atributy pro automatickeacute siacuteťovaacuteniacute oblasti Je nutneacute aby v
tenkyacutech a malyacutech plochaacutech byla vyššiacute hustota siacutetě než na velkyacutech plochaacutech kde postačuje siacuteť
řidšiacute Velmi důležitaacute je kompatibilita siacutetě proto byla v okoliacute Tx vodičů vytvořena
obdeacutelniacutekovaacute oblast s hustšiacute siacutetiacute viz uacuteryvek koacutedu v přiacuteloze 73
Obr 43 Detailniacute pohled na siacuteť elementů
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
31
V posledniacute čaacutesti preprocessingu byla definovaacutena Dirichletova okrajovaacute podmiacutenka
udaacutevajiacuteciacute magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel roven nule na vnějšiacute hrany vzduchoveacuteho okoliacute a
průběh budiacuteciacute proudoveacute hustoty v Tx vodičiacutech V horniacutem a dolniacutem vodiči měly toky opačnyacute
smysl proto bylo nutneacute vytvořit dva vektory hodnot J1 (obr 44) a mJ1 V posledniacute řadě bylo
provedeno přiřazeniacute průběhů k plochaacutem viz kapitola 74
Obr 44 Průběh proudoveacute hustoty v ploše Tx vodiče
Ansys byl do Solution modu přepnut přiacutekazem SOL kde se provedlo nastaveniacute
analyacutezy a byl spuštěn vyacutepočet viz kapitola 76
412 Postprocessing - ziacuteskaacutevaacuteniacute vyacutesledk ů Ciacutelem teacuteto čaacutesti bylo zjištěniacute průběhů naindukovanyacutech napětiacute Ui v zaacutevislosti na čase
pro různeacute vyacuteškoveacute pozice přijiacutemaciacutech ciacutevek Rx Pro indukovaneacute napětiacute platiacute vztah
( )Vndt
dU i sdotΦminus= (43)
kde
( )TdxBlx
x
Yint sdotsdot=Φ2
1
(44)
n počet zaacutevitů Rx vinutiacute
l deacutelka Rx vinutiacute ve směru osy Z
x1 a x2 šiacuteřka Rx vinutiacute ve směru osy X
BY složka magnetickeacute indukce v ose Y
Zadaacuteniacutem souřadnic dvou bodů se nadefinovala uacutesečka (cesta) na kterou byly s určityacutem
J (Am-2)
kroky vyacutepočtu (-)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
32
krokem zaznamenaacuteny hodnoty magnetickeacute indukce BY Průběh BY v zaacutevislosti na souřadnici X
je na obr 45
Obr 45 Průběh magnetickeacute indukce BY v zaacutevislosti na souřadnici X
Obr 46 Průběh magnetickeacuteho toku Φ v zaacutevislosti na souřadnici X
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
33
Integrovaacuteniacutem průběhu BY se ziacuteskal průběh magnetickeacuteho indukčniacuteho toku Φ obr 46
Magnetickyacute indukčniacute tok Φ je roven určiteacutemu integraacutelu (rovnice 44) průběhu BY obr 45 Z
toho vyplyacutevaacute že magnetickyacute indukčniacute tok je roven posledniacute hodnotě průběhu na obr 46
Tato hodnota se vynaacutesobila deacutelkou Rx vinutiacute Postup vyacutepočtu se opakoval pro všechny pozice
Rx vinutiacute a to v každeacutem kroku transientniacute analyacutezy Tiacutem se ziacuteskala zaacutevislost magnetickeacuteho
indukčniacuteho toku Φ na čase t V programu MS Excel se vynaacutesobil tok počtem zaacutevitů Rx vinutiacute
a byla provedena derivace podle času (rovnice 43) Takto byly zpracovaacuteny vyacutesledky pro
všechny pozice kontaminantu vůči Tx vinutiacute APDL skript pro ziacuteskaacutevaacuteniacute hodnot viz kapitola
76 a v kapitole 77 je vyacutepis makra ktereacute uklaacutedaacute hodnoty do souboru
413 Hodnoceniacute vyacutesledk ů Vypočteneacute hodnoty Ui ve všech pěti vyacuteškovyacutech poziciacutech hrx byly vyneseny do grafů v
zaacutevislosti na čase Pokud se vynesou do jednoho grafu průběhy indukovanyacutech napětiacute pro
každou pozici kontaminantu v daneacute vyacutešce lze sledovat odezvu indukovaneacuteho napětiacute na
polohu kontaminantu Jelikož byly provedeny tři seacuterie vyacutepočtů s různyacutemi kontaminanty lze
porovnat i tvary přijiacutemanyacutech signaacutelu pro jednotliveacute materiaacutely Ciacutelem teacuteto čaacutesti je porovnat
signaacutely ziacuteskaacutevaneacute v různyacutech vyacuteškovyacutech polohaacutech Rx vinutiacute a vybrat nejvhodnějšiacute signaacutel pro
detekci
Na naacutesledujiacuteciacutech grafech jsou znaacutezorněny napěťoveacute průběhy během jedneacute periody v
zaacutevislosti na poloze kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
34
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 47 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 48 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
35
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 49 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 410 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
36
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 411 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 5)
Na obraacutezciacutech 47 až 411 jsou zobrazeny průběhy odpoviacutedajiacuteciacute průchodu železneacuteho
kontaminantu s relativniacute permeablitou 400 a měrnyacutem elektrickyacutem odporem 10210-7 Ωm Na
průběziacutech 47 48 a 411 lze pozorovat sice nižšiacute hodnotu signaacutelu ale celkovaacute deformace
během průchodu kontaminantu je většiacute
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 412 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
37
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 413 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 414 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
38
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 415 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 416 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce5)
Na obraacutezciacutech 412 až 416 jsou zobrazeneacute průběhy odpoviacutedajiacuteciacute průchodu kontaminantu z
nerezu ANSI 304 s relativniacute permeablitou 1008 a měrnyacutem elektrickyacutem odporem 7210-7
Ωm Při porovnaacuteniacute s předchoziacutem kontaminantem je změna signaacutelu nižšiacute což odpoviacutedaacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
39
předpokladům o obtiacutežnějšiacute detekci nerezovyacutech kontaminantů
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 417 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 418 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
40
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 419 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 420 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
41
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 421 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 5)
Na obraacutezciacutech 417 až 421 jsou zobrazeny průběhy odpoviacutedajiacuteciacute neželezneacutemu
kontaminantu (mědi) s parametry relativniacute permeablita 1 a měrnyacute elektrickyacute odpor 7510-8
Ωm Průběh signaacutelu je velmi podobnyacute signaacutelům nerezoveacuteho kontaminantu
Porovnaacuteniacutem všech grafů (obr 47 - obr 422) je obecně vidět že u průběhů ve vyacutešce
3 a 4 je zisk signaacutelu pro všechny modelovaneacute kontaminanty největšiacute Dochaacuteziacute zde ale ke
změně amplitudy pouze v jednom smyslu což z hlediska vyhodnocovaciacutech algoritmů zlepšeniacute
detekce vylučuje Naproti tomu je u signaacutelu ve vyacutešce 5 znatelně vyššiacute amplituda než v
použiacutevaneacute vyacutešce 2 Na zaacutekladě tohoto zjištěniacute bude zhotoven prototyp detektoru za uacutečelem
ověřeniacute teoretickyacutech vyacutesledků
Na obraacutezku 422 je ukaacutezka grafickeacuteho vyacutestupu zobrazujiacuteciacuteho vektory proudoveacute
hustoty naindukovaneacute v nerezoveacutem krytu a v kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
42
Obr 422 Vektory proudovyacutech hustot naindukovanyacutech do kontaminantu a nerezoveacuteho krytu
Obraacutezek 423 zobrazuje kontury magnetickeacuteho pole ve stejneacutem časoveacutem kroku jako obr
422 Pole ktereacute je konturami zobrazeno je tvořeno praacutevě proudovou hustotou obr 422 Je
zde možneacute pozorovat jak se pole deformuje přiacutetomnyacutem kontaminantem
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
43
Obr 423 Kontury magnetickeacuteho vektoroveacuteho potenciaacutelu s viditelnou deformaciacute pole způsobenou
feromagnetickyacutem kontaminantem
42 Vyšet řovaacuteniacute množstviacute vyza řovaneacute energie V teacuteto čaacutesti se vychaacutezelo z předpokladu že intenzita elektromagnetickeacuteho pole uvnitř
detektoru je mnohem většiacute než elektromagnetickyacute šum kteryacute do detektoru vnikaacute z okoliacute
Proto lze předpoklaacutedat že rušeniacute bude způsobeno předevšiacutem deformaciacute vlastniacuteho
vyzařovaneacuteho pole v bliacutezkeacutem okoliacute detektoru To vede ke snaze snižovat množstviacute vlastniacuteho
vyzaacuteřeneacuteho pole ven z detektoru aby nemohlo byacutet deformovaacuteno okolniacutemi předměty
421 Řešeniacute probleacutemu Bylo porovnaacuteno pět variant detektorů bez průchodu kontaminantu Každaacute varianta se
řešila jedniacutem vyacutepočtem z čehož plyne malaacute časovaacute naacuteročnost a proto byly probleacutemy řešeny
bez využitiacute symetrie Prvniacute byl staacutevajiacuteciacute detektor o tloušťce kryciacuteho nerezoveacuteho plechu 3 mm
druhyacute byl stejneacute geometrie ale za použitiacute silnějšiacuteho 5 mm tlusteacuteho nerezu Třetiacute typ měl
tloušťku 3 mm ale na horniacute a dolniacute stěně bylo přidaacuteno dalšiacute stiacuteněniacute z nerezu ve tvaru T (obr
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
44
426) Posledniacute dva naacutevrhy měly pravouacutehlyacute tvar krytu celkově menšiacutech rozměrů z nichž jeden
byl jednoduchyacute o tloušťce 3 mm (obr 427) a druhyacute měl shora a zdola dvojiteacute dno z nerezu
tloušťky 3 mm (obr_428) Touto metodou by se dalo porovnaacutevat mnohem většiacute množstviacute
provedeniacute ktereacute by se mohly lišit i použityacutem materiaacutelem Vzduchoveacute okoliacute detektoru bylo
rozděleno na čtyři sektory v nichž se sečetly hodnoty magnetickeacute energie jednotlivyacutech
elementů v každeacutem kroku analyacutezy a tiacutem se ziacuteskal průběh množstviacute energie v daneacutem prostoru
na čase Objemovaacute hustota magnetickeacute energie byla zjišťovaacutena ve všech plochaacutech daneacute
geometrie a bylo možno sledovat jak se energie v čase přemisťuje
Obr 424 Geometrie varianty 3 mm
Obr 425 Geometrie varianty 5 mm
Obr 426 Geometrie varianty 3 mm-stineni
Obr 427 Geometrie varianty novy 1
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
45
Obr 428 Geometrie varianty novy 2
Přiacuteprava skriptů se od předchoziacutech vyacutepočtů lišila pouze v geometrii jinak byla
principiaacutelně stejnaacute Rozdiacutel byl však v čaacutesti post-processingu (ziacuteskaacutevaacuteniacute vyacutesledků) Aby bylo
možno přistupovat k jednotlivyacutem sektorům musel byacutet každyacute sektor definovaacuten vlastniacutem typem
elementů (elementy byly použity stejneacute jednaacute se pouze o čiacuteslovaacuteniacute) Byly použity osmkraacutet
elementy PLANE53
ET153 Tx vinuti ET253 prostor uvnitr detektoru ET353 nerezovy obal ET453 detekcni prostor ET553 vzduchove okoli - horni ET653 vzduchove okoli - pravy ET753 vzduchove okoli - dolni ET853 vzduchove okoli - levy
Přiacuteklad načiacutetaacuteniacute vyacutesledků pro jeden typ elementů
POST1 prepnutiacute do postprocesoru allsel oznaceni vsech elementu vytvoreni pole pro ukadani hodnot DIMenergie1TABLEkroku11timeE zapsani nulovych hodnot na zacatek vektoru vysledku energie1(00)=0 energie1(01)=0 cyklus ve kterem se nacitaji vysledky jednotlivych kroku simulace doi1kroku1 APPEND 1 i nacteni daneho kroku eseltype1 vybrani elementu typu 1 GET e_count1 ELEM count vraci mnozstvi elementu daneho typu GET e_next ELEM 0 NXTH vraci nejnizsi adresu elementu daneho typu v promenne e_next energ1=0 vynulovani promenne cyklus ktery postupne prochazi vsechy elementy daneho typu doj1e_count11 GET e_energ1 ELEM e_next SENE ulozi do promene e_energ1 mnozstvi energie v elementu s adresou e_next
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
46
GET e_next ELEM e_next NXTH posune adresu elementu o jedna energ1=energ1+e_energ1 pricte mnozstvi energie e_energ1 do kumulativni promnenne energ1 enddo konec vnitrniho cyklu energie1(i0)=i zapise do pole vysledku cislu jirju simulace energie1(i1)=energ1 zapise do pole vysledku mnozstvi energie v cele plose s elementy daneho typu enddo konec vnejsiho cyklu zapis_energ zavolani makra pro zapis vysledku do souboru
422 Hodnoceniacute vyacutesledk ů V jednotlivyacutech sektorech se provedla suma magnetickeacute energie pro každyacute krok
simulace Vyacutesledkem jsou průběhy množstviacute energie v daneacute ploše v zaacutevislosti na krociacutech
simulace (čase) Jednotliveacute varianty byly hodnoceny na zaacutekladě porovnaacuteniacute průběhů se
staacutevajiacuteciacutem detektorem
Energie v Tx vinutiacute
000E+00
100E-03
200E-03
300E-03
400E-03
500E-03
600E-03
700E-03
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 429 Energie v Tx vinutiacute
Na grafu (obr 429) je vidět že množstviacute energie v Tx vinutiacute neniacute zaacutevisleacute na geometrii a je
daacuteno budiacuteciacutem signaacutelem v Tx vinutiacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
47
Energie unit ř detektoru
000E+00
200E-02
400E-02
600E-02
800E-02
100E-01
120E-01
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 430 Energie uvnitř detektoru
Na obr 430 je znaacutezorněno množstviacute energie v prostoru detektoru do ktereacuteho neniacute
započiacutetaacutena detekčniacute oblast ta je zobrazena na obr 432 V teacuteto čaacutesti neniacute pozorovaacutena žaacutednaacute
vyacuteraznaacute změna
Energie v nerezoveacutem obalu
000E+00
500E-05
100E-04
150E-04
200E-04
250E-04
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 431 Energie v nerezoveacutem obalu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
48
Vyacuteraznějšiacute změny se odehraacutevajiacute v nerezoveacutem obalu Nejmenšiacute množstviacute energie je v klasickeacute
3 mm tlusteacute a v 5 mm tlusteacute variantě U klasickeacute varianty se stiacuteněniacutem a u novyacutech naacutevrhů je
naacuterůst způsoben přibliacuteženiacutem nerezu k Tx vinutiacute
Energie v prostoru detek čniacuteho otvoru
000E+00
500E-03
100E-02
150E-02
200E-02
250E-02
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 432 Energie v prostoru detekčniacuteho otvoru
V oblasti detekčniacuteho otvoru je snaha o uchovaacuteniacute co největšiacuteho množstviacute energie neboť
zmenšeniacute energie vede ke sniacuteženiacute odezvy na kontaminant tedy ke sniacuteženiacute citlivosti detektoru
Z obr 432 je patrneacute že geometrickeacute uacutepravy detektoru (3 mm se stiacuteněniacutem novy 1 a novy 2)
vedou ke sniacuteženiacute množstviacute energie v tomto prostoru
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
49
Energie v horniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
100E-07
200E-07
300E-07
400E-07
500E-07
600E-07
700E-07
800E-07
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 433 Energie v horniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Energie v dolniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
100E-07
200E-07
300E-07
400E-07
500E-07
600E-07
700E-07
800E-07
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 434 Energie v dolniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Porovnajiacute-li se obr 433 a 434 je u variant 1 - 3 možneacute pozorovat rozdiacutely mezi horniacute a dolniacute
plochou Je zde na prvniacute pohled vidět jak horniacute oblouk snižuje množstviacute energie unikajiacuteciacute do
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
50
okoliacute Jako uacutečinneacute se z pohledu těchto sektorů jeviacute varianta klasickeacuteho detektoru se stiacuteněniacutem a
novyacute naacutevrh s dvojityacutemi stěnami
Energie v praveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
500E-06
100E-05
150E-05
200E-05
250E-05
300E-05
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 435 Energie v praveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Energie v leveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
500E-06
100E-05
150E-05
200E-05
250E-05
300E-05
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 436 Energie v leveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
51
Pravyacute a levyacute sektor je z důvodů symetrie stejnyacute na obrazciacutech 435 a 436 lze pozorovat tzv
metal free zoacutenu kteraacute se u detektorů udaacutevaacute Jednaacute se o prostor před a za detekčniacutem otvorem
ve ktereacutem se nesmiacute nachaacutezet žaacutednyacute kovovyacute materiaacutel (z důvodu ovlivňovaacuteniacute pole) snahou je
tuto zoacutenu co nejviacutece zmenšit Z grafů je patrneacute že novyacute naacutevrh s dvojityacutemi stěnami vykazuje
nejmenšiacute množstviacute energie v teacuteto oblasti Naopak u klasickeacute varianty se stiacuteněniacutem došlo k
vytlačeniacute pole z vnitřku detektoru praacutevě do těchto okolniacutech zoacuten
Na zaacutekladě těchto poznatků bude provedeno ověřeniacute na skutečnyacutech zařiacutezeniacutech Mezi
použitelneacute varianty připadaacute klasickaacute konstrukce doplněnaacute o stiacuteněniacute a novyacute naacutevrh s dvojityacutemi
stěnami U toho je však velkaacute hrozba sniacuteženiacute citlivosti způsobeneacute menšiacutem množstviacutem energie
v detekčniacutem prostoru
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
52
5 Zaacutevěr Ciacutelem předklaacutedaneacute praacutece je zlepšeniacute činnosti detektorů kovů přiacutepadně uacuteprava
technologie vyacuteroby při současneacutem sniacuteženiacute vyacuterobniacutech naacutekladů Předpokladem uacutespěšnyacutech
naacutevrhů byla podrobnaacute studie činnosti a principu těchto zařiacutezeniacute kteraacute jsou vyacuterobcem po
několik let uacutespěšně prodaacutevaacutena na světovyacutech trziacutech
Na zaacutekladě těchto požadavků byly provedeny některeacute testy ktereacute měly ověřit
předpoklaacutedanaacute zlepšeniacute Nejširšiacute možnosti přinaacutešiacute modelovaacuteniacute magnetickeacuteho pole
průmyslovyacutech detektorů počiacutetačovou simulaciacute kteraacute je zatiacutem schopna řešit zadaneacute probleacutemy
v dvourozměrneacutem prostoru Nejčastěji řešeneacute probleacutemy jsou staacutele spojeny se zaacutekladniacutem
principem činnosti těchto zařiacutezeniacute tj vlivem a působeniacutem kontaminantu na
elektromagnetickeacute pole buzeneacute ciacutevkami uvnitř detektoru a nepřiacuteznivyacute vliv vnějšiacutech rušivyacutech
poliacute např při současneacute činnosti sousedniacutech detektorů Dalšiacutem zdrojem rušivyacutech magnetickyacutech
poliacute může byacutet i činnost a přiacutetomnost různyacutech elektrickyacutech zařiacutezeniacute probleacutem spojenyacute s
vhodnyacutem materiaacutelem a tvarem stiacuteněniacute těchto zařiacutezeniacute
Vzhledem k maximaacutelniacute citlivosti elektronickyacutech obvodů a požadovaneacute pečlivosti při
balancovaacuteniacute (vyvažovaacuteniacute) se vyskytuje probleacutem kteryacute souvisiacute se staacutelostiacute nastaveniacute detektoru
při mechanickeacutem otřesu přiacutepadně odstraněniacute změn ke kteryacutem dochaacuteziacute vlivem dopravy
Dalšiacutem plaacutenovanyacutem krokem je namodelovaacuteniacute probleacutemu v trojrozměrneacutem prostoru od
ktereacuteho je očekaacutevaacuteno zohledněniacute dalšiacutech vlivů a tiacutem zpřesněniacute samotneacuteho vyacutesledku
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
53
6 Použitaacute literatura [1] Internetoveacute straacutenky společnosti Loma Systems sro
httpwwwlomacom_czindexshtml
[2] Haacutejek J Jarchovskyacute Z Detektory kovů - naacutevod na stavbu nakladatelstviacute BEN Praha
2010
[3] Beneda L Detektory kovů bakalaacuteřskaacute praacutece ZČU Plzeň 2010
[4] Internetoveacute straacutenky společnosti Ad controls sro
httpwwwadcontrolsczdetektory_kovu_zakladni_pojmy
[5] KOVOHUTĚ ROKYCANY as COMTES FHT as MATEX sro Průběžnaacute
zpraacuteva k projektu FeNi - čj 1021207 - 32 za rok (2007 - 2009)
[6] Ansys Inc ANSYS HELP Release 130 Dokumentace k programu
[7] Karban P a kolektiv autorů Aplikace teoretickeacute elektrotechniky Skripta ZČU Plzeň
2011
[8] Benešovaacute Z Ulrych B Přiacuteručka pro použitiacute programů ve vyacuteuce teorie
elektromagnetickeacuteho pole Skripta ZČU Plzeň 1997
[9] Loma Systems sro Knowledge Base - Interniacute dokumentace společnosti
[10] Internetoveacute straacutenky společnosti Aerospace specification metals Inc
httpasmmatwebcomsearchSpecificMaterialaspbassnum=MQ304A
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
1
7 Přiacutelohy
71 Tvorba geometrie PREP7 prepnuti do rezimu preprocesingu jj=8 index polohy kontaminantu r1=05e-3 polomer Tx vodice 05 mm r2=15e-3 polomer kontaminantu 15 mm c=90e-3 sirka Rx civek h=1767e-3 vzdalenost mezi Tx vinutim hrx=(h2)+526e-3 zakladni vyskova poloha mezi Rx civkami hss=175e-3 vyska nerezoveho krytu wss=150e-3 sirka nerezoveho krytu tss=3e-3 tloustka nerezove steny hd=h-227e-3 vyska detekcniho otvoru wok=1000e-3 sirka vzduchoveho okoli hok=1000e-3 vyska vzduchoveho okoli wkon=(-250e-3)+(jj20e-3) poloha kontaminantu na ose X tvorba geometrickych bodu nerezoveho krytu K1022589e-30 K2022185e-30 K3-7907e-321208e-30 K4-78e-32085e-30 K57907e-321208e-30 K678e-32085e-30 K7-wsshss0 K8-wss+tsshss-tss0 K9wsshss0 K10wss-tsshss-tss0 K11-wss-hss0 K12-wss+tss-hss+tss0 K13wss-hss0 K14wss-tss-hss+tss0 vytvoreni ploch definovanymi body FLST273 FITEM27 FITEM23 FITEM21 FITEM25 FITEM29 FITEM213 FITEM211 AP51X FLST273 FITEM28 FITEM24 FITEM22 FITEM26 FITEM210 FITEM214 FITEM212 AP51X CYL40h2r1 plocha horniho Tx vodice CYL40-h2r1 ploch dolniho Tx vodice BLC50((h2)+hrx)2100e-310e-3 plocha horniho vzduchoveho okoli Tx vodice BLC50-((h2)+hrx)2100e-310e-3 plocha dolniho vzduchoveho okoli Tx vodice BLC5002wsshd plocha detekcniho ootvoru APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch odstraneni ploch ktere budou sjednoceny se vzduchovym okolim
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
2
FLST255ORDE4 FITEM210 FITEM2-12 FITEM215 FITEM218 ADELEP51X BLC500wokhok vytvoreni plochy vzduchoveho okoli APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch CYL4wkon0r2 vytvoreni plochy kontaminantu APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch konec tvorby geometrickeho modelu
72 Definice element ů materiaacutel ů a jejich p řiřazeniacute k plochaacutem definovani materialu MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX11 material 1 Tx permeabilita 1 MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX21 material 2 Air permeabilita 1 MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX31008 material 3 nerezovy kryt SS ANSI 304 permeabilita MPTEMP MPTEMP10 MPDATARSVX372e-7 material 3 nerezoovy kryt SS Ansi 304 rezistivita MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX4400 material 4 Kontaminant permeabilita MPTEMP MPTEMP10 MPDATARSVX4102e-7 material 4 Kontaminant rezistivita definovani elementu ET153 Tx civky ET253 Vzduch ET353 nerezovy kryt ET453 kontaminant nastaveni elementu KEYOPT110 Tx civky KEYOPT120 KEYOPT130 KEYOPT140 KEYOPT150 KEYOPT170 KEYOPT210 Air KEYOPT220 KEYOPT230 KEYOPT240 KEYOPT250 KEYOPT270 KEYOPT310 SS KEYOPT320 KEYOPT330 KEYOPT340 KEYOPT350
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
3
KEYOPT370 KEYOPT410 kontaminant KEYOPT420 KEYOPT430 KEYOPT440 KEYOPT450 KEYOPT470 prirazeni elementu a materialum k plocham FLST525ORDE2 Tx FITEM58 FITEM5-9 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 1 1 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 FLST535ORDE3 Air FITEM53 FITEM516 FITEM5-17 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 2 2 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 FLST525ORDE2 SS FITEM513 FITEM5-14 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 3 3 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 CM_YAREA kontaminant ASEL 1 CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 4 4 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
4
73 Siacuteťovaacuteniacute oblastiacute FLST275ORDE7 FITEM21 FITEM28 FITEM2-9 FITEM213 FITEM2-14 FITEM216 FITEM2-17 AESIZEP51X00005 nastaveni delky steny elementu 00005 m FLST215ORDE1 FITEM23 AESIZEP51X001 nastaveni delky steny elementu 001 m MSHAPE12D nastaveni 2D trojuhelnikove site MSHKEY0 FLST585ORDE8 FITEM51 FITEM53 FITEM58 FITEM5-9 FITEM513 FITEM5-14 FITEM516 FITEM5-17 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CHKMSHAREA CMSELS_Y AMESH_Y1 spusteni automatickeho sitovani CMDELE_Y CMDELE_Y1 CMDELE_Y2
74 Okrajovaacute podmiacutenka a nastaveniacute budiciacuteho pr ůběhu okrajova podminka FLST244ORDE4 FITEM214 FITEM212 FITEM27 FITEM25 DLP51X AZ0 nastaveni zatizeni parametry budici proudove hustoty f=35e3 frekvence signalu [Hz] part=600 pocet kroku signalu T_min=0 pocatek casove osy T_max=1f konec casove osy dt=T_maxpart casovy krok parametry prudove hustoty pi=4atan(1) s=pir12 I=600sqrt(2) N1=1 J1_a=IN1s definovani vzestupne casti pulsu tau=3 DIMJexTABLE5011timeJ Jex(11)=0
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
5
Jex(10)=0 doi2501 Jex(i1)=(J1_a)(1-exp(-itau)) Jex(i0)=(i) enddo definovani sestupne casti pulsu tau=3 DIMJex1TABLE5011timeJ Jex1(11)=J1_a Jex1(10)=0 doi2501 Jex1(i1)=(J1_a)(exp(-itau)) Jex1(i0)=(i) enddo sestaveni celeho pulsu DIMJex2TABLE10011timeJ Jex2(11)=0 Jex2(10)=0 doi2501 Jex2(i1)=Jex(i1) Jex2(i0)=(i) enddo doi511001 Jex2(i1)=Jex1(i-501) Jex2(i0)=(i) enddo priprava nulovych vektoru kladneho a zaporneho prubehu J DIMJ1TABLE60011timeJ DIMmJ1TABLE60011timeJ doi16001 J1(i0)=(i-1)dt time J1(i1)=0 J mJ1(i0)=(i-1)dt time mJ1(i1)=0 -J enddo vlozeni prvniho pulsu doi11001 J1(i1)=Jex2(i1) mJ1(i1)=-Jex2(i1) enddo vlozeni druheho pulsu doi3004001 J1(i1)=-Jex2(i-3001) mJ1(i1)=Jex2(i-3001) enddo prirazeni prubehu k plocham PREP7 FLST215ORDE1 FITEM28 BFAP51XJSJ1 FLST215ORDE1 FITEM29 BFAP51XJSmJ1
75 Nastaveniacute analyacutezy SOL prepnuti do Solution modu - nastaveni analyzy kroku=300 pocet kroku simulace ANTYPE4 TRNOPTFULL
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
6
NSUBSTkroku00 OUTRESERASE OUTRESALL1 TIMET_max solve spusti vypocet ulohy
76 Postprocessing POST1 prepne do Preprocesing modu krokyb=200 pocet kroku na delku coilgapu L=03 delka Rx snimace hrx1=(h2)+10e-3 jednotlive vyskove pozice Rx vinuti hrx2=(h2)+526e-3 hrx3=(h2) hrx4=((h2)-526e-3) hrx5=((h2)-10e-3) vytvoreni pole hodnot - 10 sloupcu x 300 radku sloupce odpovidaji poctu jednotlivych civek 2x5 (5 poloh horni a dolni civka) DIMTOKTABLEkroku101SUBSTEP TOK(00)=0 TOK(01)=0 TOK(02)=0 TOK(03)=0 TOK(04)=0 TOK(05)=0 TOK(06)=0 TOK(07)=0 TOK(08)=0 TOK(09)=0 TOK(010)=0 dok1kroku1 hlavni cyklus pocet cyklu odpovida poctu kroku analyzy APPEND 1 k nacteni k-teho kroku analyzy tato cast kodu je nutna pro kazdou civku zvlast (10x se opakuje) PATHHORNI26krokyb-1 definovani cesty horni civky PPATH10-c2hrx10 levy koncovy bod PPATH20c2hrx10 pravy koncovy bod PDEF BYAVG namapovani Y-slozky magneticke indukce B PCALCINTGINT_HORBYXGL vypocet integralu z By podle dX PBCPATH 0 PAGETHORNI1_TABL ulozeni hodnot ziskanych na definovane ceste do pole HORNI1_ PADELALL smazani cesty i s hodnotamy (pole HORNI1_ zustava) konec opakujici se casti prirazovani posledni hodnoty integralu do prislusneho pole vysledku TOK(k0)=k casova osa TOK(k1)=HORNI1_(krokyb6) TOK(k2)=DOLNI1_(krokyb6) TOK(k3)=HORNI2_(krokyb6) TOK(k4)=DOLNI2_(krokyb6) TOK(k5)=HORNI3_(krokyb6) TOK(k6)=DOLNI3_(krokyb6) TOK(k7)=HORNI4_(krokyb6) TOK(k8)=DOLNI4_(krokyb6) TOK(k9)=HORNI5_(krokyb6) TOK(k10)=DOLNI5_(krokyb6) DELPRM_ smaze vsechny pole vysledku koncici znakem _ enddo konec cyklu zapis_tok odkaz na skript pro zapsani pole vysledku do souboru txt
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
7
77 Makro Vyacutepis makra ktereacute uklaacutedaacute hodnoty do souboru tok_fitxt
MWRITETOK(111)tok_fitxt vytvori soubor tok_fitxt a ulozi do
nej matici vysletku TOK
(10E135) urcuje format zapisu hodnot - 10
sloupcu cisel o celkove delce 13ti
znaku z toho 5 za desetinou teckou
CFCLOS uzavre soubor
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
8
Eviden čniacute list
Souhlasiacutem s tiacutem aby moje bakalaacuteřskaacute praacutece byla půjčovaacutena k prezenčniacutemu studiu v
Univerzitniacute knihově ZČU v Plzni
Datum Podpis
Uživatel stvrzuje svyacutem čitelnyacutem podpisem že tuto bakalaacuteřskou praacuteci použil ke studijniacutem
uacutečelům a prohlašuje že ji uvede mezi použityacutemi prameny
Jmeacuteno Fakultakatedra Datum Podpis
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
11
1 Zaacutekladniacute fyzikaacutelniacute principy detektor ů kovu Principy detektorů kovů jsou založeny na využiacutevaacuteniacute specifickyacutech vlastnostiacute kovů
Kovy se od okolniacutech materiaacutelů lišiacute hlavně
bull měrnyacutem elektrickyacutem odporem
bull magnetickyacutemi vlastnostmi
Většina hledanyacutech objektů je energeticky pasivniacute proto je pro jejich detekci potřeba
energii dodaacutevat Dodaacutevanaacute energie je většinou vyzařovaacutena detektorem čaacutestiacute kteraacute maacute funkci
vysiacutelače Vysiacutelanaacute energie může byacutet akustickaacute na tomto principu funguje sonar nebo
elektromagnetickaacute což je princip většiny detektorů od radarů přes průmysloveacute detektory až k
tzv minohledačkaacutem Zde se využiacutevaacute vyacuteše jmenovanyacutech odlišnostiacute ktereacute majiacute vliv na
pohlcenou odraacuteženou a zbytkovou energii kteraacute je detekovanyacutem objektem vyzařovaacutena zpět
nebo jinyacutem způsobem deformuje elektromagnetickeacute pole Množstviacute pohlceneacute energie je daacuteno
matematickyacutem vyacuterazem (11) kteryacute určuje tzv hloubku vniku δ ve ktereacute se přivedenaacute energie
vlivem viacuteřivyacutech proudů sniacutežiacute na polovinu
( )mmicroωρδ
sdotsdot= 2
(11)
kde micro = micro0 micror
Vyacuteraz (11) je třeba uvažovat při řešeniacute energie pohlceneacute nebo odraacuteženeacute z hlediska volby
frekvence vysiacutelaneacute energie neboť
( )12 minussdotsdot= sfπω (12)
Druhou skupinu tvořiacute objekty ktereacute do sveacuteho okoliacute nějakou formou energii vyzařujiacute
Vyzařovanaacute energie může byacutet
bull akustickaacute (lokalizovaacuteniacute polohy ponorek)
bull elektromagnetickaacute (vyzařovaacuteniacute většiny elektrickyacutech zařiacutezeniacute točivyacutech i netočivyacutech
lokalizovaacuteniacute letadel ndash systeacutem TAMARA)
bull tepelnaacute (termovize tepelneacute navaacuteděniacute řiacutezenyacutech střel)
bull gama zaacuteřeniacute (vyhledaacutevaacuteniacute izotopů)
Zvlaacuteštniacutem přiacutepadem je situace kdy hledanyacute objekt i detektor jsou pasivniacute a k detekci je
využiacutevaacutena změna energie z ciziacuteho zdroje Konkreacutetniacutem přiacutepadem je přiacutestroj nazyacutevanyacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
12
magnetometr kteryacute detekuje objekty na zaacutekladě změny intenzity magnetickeacuteho pole země
vyvolaneacute hledanyacutem objektem Deformaci magnetickeacuteho pole země nezpůsobujiacute pouze kovy
ale i jineacute nehomogenity jako jsou jeskyně dutiny nebo remanentniacute magnetickeacute pole [2]
2 Principy aktivniacutech elektromagnetickyacutech detektor ů kovu
Pro detekci jsou obecně využiacutevaacuteny změny sniacutemaneacute veličiny ktereacute jsou způsobeny
hledanyacutem předmětem materiaacutelem Při vyhledaacutevaacuteniacute objektů elektromagnetickyacutem polem se
využiacutevaacute dvou materiaacutelovyacutech vlastnostiacute způsobujiacuteciacute jeho deformaci Zaprveacute je to deformace
pole feromagnetickyacutem materiaacutelem (např permaloy ferit železo) jehož magnetickaacute vodivost
převyšuje vodivost elektrickou a způsobuje soustředěniacute siločar pole do objektu obr 21
Obr 21 Feromagnetickyacute objekt Obr 22 Neferomagnetickyacute objekt
Materiaacutely u kteryacutech převyšuje elektrickaacute vodivost nad magnetickou (např měď hliniacutek)
uplatňujiacute druhyacute princip a tiacutem je deformace původniacuteho pole polem sekundaacuterniacutem Sekundaacuterniacute
pole vznikaacute viacuteřivyacutemi proudy naindukovanyacutemi ve vodiveacutem předmětu vystaveneacutemu původniacutemu
poli Ze zaacutekona o zachovaacuteniacute energie plyne že sekundaacuterniacute pole působiacute proti původniacutemu
Naacutesledkem tohoto jevu dojde k obtečeniacute objektu siločarami původniacuteho vyzařovaneacuteho pole
obr 22 [3]
21 Princip balan čniacutech detektor ů Většina průmyslovyacutech detektorů kovu pracuje na balančniacutem principu podrobnyacute popis
ostatniacutech principů je uveden napřiacuteklad ve [3]
Tento princip je založen na vyvaacuteženyacutech (vybalancovanyacutech) ciacutevkaacutech (IB ndash Induction
Balance) Z toho plyne že hledaciacute sonda je složena z minimaacutelně dvou ciacutevek popřiacutepadě dvou
systeacutemů ciacutevek z nichž jeden je vysiacutelaciacute a druhyacute pracuje jako přijiacutemač (Transmitter Receiver
ndash TR) Tyto detektory byacutevajiacute označovaacuteny TR-IB V přiacutepadě dvou ciacutevek je přijiacutemaciacute ciacutevka
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
13
umiacutestěna vzhledem k vysiacutelaciacute ciacutevce tak že naindukovaneacute napětiacute při nepřiacutetomnosti kovu je
rovno nule tzv uspořaacutedaacuteniacute překryacutevanyacutech ciacutevek tvaru D Stejneacuteho efektu lze dosaacutehnou při
pozici ciacutevek vzaacutejemně pootočenyacutech o 90deg Jestliže je na straně přiacutejmu soustava dvou ciacutevek
umiacutestiacute se vzhledem k vysiacutelaciacute ciacutevce tak že v nepřiacutetomnosti kovu se do ciacutevek indukuje stejně
velkeacute napětiacute ktereacute se mezi sebou odečte Rozdiacutelu obou napětiacute na přijiacutemaciacutech ciacutevkaacutech je roven
nule (obr 23)
Obr 23 Uspořaacutedaacuteniacute systeacutemu ciacutevek Jakaacutekoliv deformace pole vysiacutelaciacute ciacutevky maacute za naacutesledek porušeniacute rovnovaacutehy a na přijiacutemaciacute
straně se objeviacute napětiacute indikujiacuteciacute přiacutetomnost kovu Indukovaneacute napětiacute v přijiacutemaciacute ciacutevce lze
matematicky popsat vztahem (21)
( )ϕω +sdotsdot= tAU sin (21)
kde A amplituda signaacutelu
ω uacutehlovaacute frekvence signaacutelu
φ faacutezovyacute posuv oproti vysiacutelaneacutemu signaacutelu
Pokud se pod ciacutevkami nachaacuteziacute elektricky vodivyacute objekt z neferomagnetickeacuteho
materiaacutelu je pole deformovaacuteno sekundaacuterniacutem polem způsobenyacutem viacuteřivyacutemi proudy ktereacute
působiacute proti poli původniacutemu Pak přijiacutemaneacute napětiacute UPN v přijiacutemaciacute ciacutevce bude miacutet maximaacutelniacute
hodnotu v okamžiku největšiacute změny vysiacutelaneacuteho napětiacute UV V přiacutepadě indikace
feromagnetickeacuteho materiaacutelu je indukovaneacute napětiacute UPF ve faacutezi s vysiacutelaciacutem napětiacutem Protože je
v praxi nemožneacute dosaacutehnout absolutniacuteho vyvaacuteženiacute ciacutevek bude v přijiacutemaciacute ciacutevce vždy nějakeacute
maleacute napětiacute Na obr 24 jsou ideaacutelniacute přijiacutemaneacute signaacutely pro různeacute druhy kontaminantů U
obecnyacutech materiaacutelů se ve skutečnosti uplatňujiacute jak feromagnetickeacute vlastnosti tak vodivostniacute
Z tohoto důvodu bude miacutet napětiacute UP indukovaneacute v přijiacutemaciacute ciacutevce faacutezovyacute posuv oproti
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
14
vysiacutelaneacutemu v intervalu
20π
[2]
Obr 24 Průběhy napětiacute UV ndash vysiacutelaneacute napětiacute UPF ndash ideaacutelniacute přijiacutemaneacute napětiacute (feromagnetickyacute materiaacutel) UPN ndash ideaacutelniacute přijiacutemaneacute napětiacute (neferomagnetickyacute materiaacutel) UP ndash skutečneacute přijiacutemaneacute napětiacute [2]
Existujiacute různeacute možnosti dociacuteleniacute nuloveacuteho klidoveacuteho přenosu mezi ciacutevkami Zaprveacute
prostorovyacutem odděleniacutem kdy osy ciacutevek mezi sebou sviacuterajiacute uacutehel 90deg vysiacutelaciacute ciacutevka je uložena
svisle a přijiacutemaciacute ciacutevka vodorovně obr 25 Tyto detektory byly nazyacutevaacuteny bdquoTwo boxldquo [2]
Obr 25 Princip prostoroveacuteho uspořaacutedaacuteniacute 90deg ciacutevek [2]
V druheacutem přiacutepadě jsou obě ciacutevky uloženy vodorovně ale jejich prostoroveacute uspořaacutedaacuteniacute se voliacute
takoveacute aby byla vzaacutejemnaacute indukčnost nulovaacute Toho je dociacuteleno tiacutem že přijiacutemaciacute ciacutevkou
U (V)
t (s)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
15
prochaacuteziacute stejneacute množstviacute siločar vysiacutelaciacute ciacutevky v jednom i druheacutem směru a tiacutem dochaacuteziacute ke
kompenzaci (vyrušeniacute) jejich uacutečinku obr 26
Obr 26 Princip prostoroveacuteho uspořaacutedaacuteniacute překryacutevajiacuteciacutech se ciacutevek [2]
Společnosti vyraacutebějiacuteciacute průmysloveacute detektory kovů majiacute většinou sveacute specifickeacute uspořaacutedaacuteniacute
ciacutevek
Obr 27 Viacutece ciacutevkoveacute uspořaacutedaacuteniacute detektoru společnosti Ad controls sro a jeho skutečneacute provedeniacute [4]
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
16
Obr 28 Třiacute ciacutevkoveacute uspořaacutedaacuteniacute detektoru společnosti Loma Systems sro
Kvalita detektoru je daacutena předevšiacutem ciacutevkovou soustavou a neměnnostiacute jejiacutech vlastnostiacute a daacutele
volbou pracovniacuteho kmitočtu Špičkou mezi dnešniacutemi detektory jsou zařiacutezeniacute umožňujiacuteciacute
činnost při různyacutech budiacuteciacutech kmitočtech Vyacutehodou těchto systeacutemů je možnost použiacutevat viacutece
zařiacutezeniacute bliacutezko u sebe a hlavně možnost použitiacute různyacutech frekvenciacute pro rozdiacutelneacute produkty s
ohledem na citlivost a kvalitu detekce
3 Zařiacutezeniacute spole čnosti Loma Systems sro Podmiacutenkou k dalšiacute vyacutevojoveacute činnosti je podrobnaacute znalost vyraacuteběnyacutech zařiacutezeniacute a
vyacuterobniacutech technologiiacute v daneacutem podniku
Obr 31 Detektor kovů IQ3 s dotykovyacutem ovlaacutedaacuteniacutem společnosti Loma Systems sro [1]
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
17
31 Obecneacute informace Jsou vyraacuteběny dva typy detektorů ktereacute pracujiacute na stejneacutem principu ale lišiacute se
vysiacutelaciacutemi průběhy budiacuteciacuteho napětiacute a možnostiacute pracovat na různyacutech kmitočtech
Staršiacute model označenyacute jako IQ2 je vyraacuteběnyacute ve třech variantaacutech jako farmaceutickyacute
detektor detektor s volnyacutem propadem produktu nebo detektor s produktem dopravovanyacutem
potrubiacutem Posledniacute dva jmenovaneacute jsou takeacute vyraacuteběny na zaacutekladě technologie IQ3 Tento
systeacutem umožňuje činnost detektoru na různyacutech budiacuteciacutech kmitočtech a je použit hlavně u
dopravniacutekovyacutech detektorů Detektor IQ2 pracuje na neměnneacute frekvenci 1 MHz
Dopravniacutekoveacute detektory jsou vyraacuteběny ve dvou variantaacutech normaacutelniacute (detekčniacute otvor
maacute stěny opatřeneacute vrstvou modreacuteho epoxidu) a detektory pro extreacutemně nepřiacutezniveacute podmiacutenky
(stěny detekčniacuteho otvoru jsou pokryty odolnyacutem plastem) ktereacute odolaacutevajiacute i vysokotlakeacutemu
vodniacutemu čištěniacute Obě varianty jsou vhodneacute i pro použitiacute v potravinaacuteřskeacutem průmyslu
Všechny detektory jsou schopny pracovat při siacuteťoveacutem napětiacute 110115200220230 V
50 nebo 60 Hz 1f 380400 V 5060 Hz 3f a majiacute stupeň krytiacute IP 69K což umožňuje uacutedržbu
vysokotlakyacutemi vodniacutemi čističi Ovlaacutedaacuteniacute a komunikace s detektorem je zajištěna LCD
displejem s tlačiacutetky nebo displejem dotykovyacutem Každyacute detektor je vybaven releacuteovyacutemi
vyacutestupy jimiž je možno ovlaacutedat chod dopravniacuteku vyřazovaciacute systeacutem signalizačniacute lampy či
klakson
Detektor jako takovyacute se sklaacutedaacute z jedneacute čaacutesti kde je jak samotnyacute detekčniacute otvor tak i
veškeraacute elektronika Detekčniacute otvor tvořiacute jaacutedro z tvrzeneacuteho papiacuteru (Tufnol) do ktereacuteho jsou
vlepeny vodiče ciacutevek Stěny detekčniacuteho otvoru jsou opatřeny modryacutem epoxidem nebo biacutelyacutem
polyethylenem (Acetal) kteryacute maacute většiacute mechanickou odolnost Celeacute zařiacutezeniacute je uzavřeno v
obalu z nerezoveacute oceli ANSI 304 (DIN 14301) tloušťky 3 mm Prostor mezi jaacutedrem a
nerezovyacutem obalem je vyplňovaacuten pěnivyacutem epoxidem
Elektronika detektoru obsahuje tři desky plošnyacutech spojů a ovlaacutedaciacute displej Hlavniacute
čaacutestiacute je řiacutediacuteciacute deska (Control board) na ktereacute se nachaacuteziacute blok napaacutejeciacuteho zdroje
vyhodnocovaciacute obvody paměti AD převodniacuteky signaacutelu a vstupniacutevyacutestupniacute obvody Dalšiacutemi
čaacutestmi jsou vysiacutelaciacute deska (Transmitter board) a deska přijiacutemače (Receiver board)
32 Vysiacutelaciacute čaacutest - Tx Postupneacute upouštěniacute od vyacuteroby zastaraleacute verze detektorů IQ2 je důvodem pro zaměřeniacute
teacuteto praacutece na detektory IQ3 Systeacutem IQ3 je multifrekvenčniacute založenyacute na balančniacutem principu
Oproti standardniacutem balančniacutem detektorům je zde vysiacutelaciacute ciacutevka buzena nespojityacutem signaacutelem
Vyacutehodou použitiacute tohoto signaacutelu je snadnaacute změna frekvence možnost řiacutezeniacute vysiacutelaciacuteho vyacutekonu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
18
a celkoveacute zvyacutešeniacute kvality detekce neboť rychlyacutem změnaacutem budiacuteciacuteho proudu odpoviacutedaacute velkaacute
změna magnetickeacuteho indukčniacuteho toku Dle Faradayova indukčniacuteho zaacutekona je velikost
indukovaneacuteho napětiacute daacutena rychlostiacute změny magnetickeacuteho indukčniacuteho toku (31)
tU i ∆
∆Φminus= (31)
Činnost Tx boardu (vysiacutelaciacute desky) je řiacutezena mikrokontrolerem kteryacute komunikuje s
Control boardem seacuteriovyacutem rozhraniacutem Deska umožňuje kontrolu napaacutejeniacute vysiacutelaciacuteho proudu
teploty a přiacutepadneacute přerušeniacute Tx vinutiacute (vysiacutelaciacute ciacutevky) Mikrokontroler řiacutediacute jak vysiacutelaciacute
průběh tak vyhodnocovaciacute obvody ktereacute jsou na Rx boardu (přijiacutemaciacute deska)
Na Tx board jsou přivaacuteděna napětiacute 12 V -12 V proti zemi použiacutevanaacute k buzeniacute Tx
vinutiacute Z kladneacuteho napětiacute se daacutele ziacuteskaacutevaacute napětiacute 33 V a 18 V pro napaacutejeniacute ostatniacutech obvodů
Budiacuteciacute signaacutel je kvůli požadovaneacutemu vysokeacutemu pulsniacutemu vyacutekonu odebiacuteraacuten z kondenzaacutetoroveacute
baterie Velikost odebiacuteraneacuteho proudu je měřena operačniacutem zesilovačem zapojenyacutem jako
převodniacutek IU
Vyacutekonovaacute čaacutest Tx boardu je tvořena čtyřmi MOSFET tranzistory řiacutezenyacutemi
mikrokontrolerem Vyacutekonoveacute tranzistory T1 až T4 jsou zapojeny dle obr 32
Obr 32 Zapojeniacute koncoveacute čaacutesti vysiacutelače
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
19
Vysiacutelaciacute ciacutevka je tvořena pouze jedniacutem zaacutevitem Cu draacutetu ϕ 1 mm jeho indukčnost a kapacita
je vzhledem k jeho vodivosti zanedbatelnaacute a při nižšiacutech frekvenciacutech se tedy chovaacute jako zkrat
Pokud je časovyacute posuv mezi U1 a U2 roven nule pak napětiacute UTX je takeacute rovno nule a Tx
ciacutevkou neteče žaacutednyacute proud obr 33
-12
-8
-4
0
4
8
12
16U1 (V)
-16
-12
-8
-4
0
4
8
12
16
000E+00 100E-05 200E-05 300E-05 400E-05 500E-05 600E-05
čas (s)
U2 (V)
Obr 331 Průběhy signaacutelů U1 a U2 přivaacuteděnyacutech na vyacutevody Tx vinutiacute V detektoru by se dala naměřit pouze elektrickaacute složka pole odpoviacutedajiacuteciacute původniacutemu signaacutelu
Pro detekci kovu je však důležiteacute elektromagnetickeacute pole kteraacute vznikaacute průchodem proudu
vinutiacutem Proudoveacuteho impulsu je dosaženo časovyacutem posunem mezi napětiacutemi U1 a U2
přivaacuteděnyacutemi na svorky Tx vinutiacute V tomto přiacutepadě potečou zkratoveacute proudoveacute pulsy
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
20
odpoviacutedajiacuteciacute připojeneacutemu napětiacute UTX viz obr 34 Vyacutekon detektoru je tedy řiacutezen časovyacutem
posunem mezi průběhy napětiacute U1 a U2 Tomuto časoveacutemu posuvu pak odpoviacutedaacute i velikost
odebiacuteraneacuteho proudu do Tx vinutiacute
-12
-8
-4
0
4
8
12
16U1 (V)
-12
-8
-4
0
4
8
12
16U2 (V)
000E+00 100E-05 200E-05 300E-05 400E-05 500E-05 600E-05
Čas (s)
I (A)
Obr 34 Časově posunutaacute napětiacute U1 U2 přivaacuteděnaacute na vyacutevody Tx vinutiacute a průběh proudu I v Tx vinutiacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
21
33 Přijiacutemaciacute čaacutest - Rx Zaacutekladem přijiacutemaciacute čaacutesti je soustava složenaacute ze dvou paralelně spojenyacutech Rx ciacutevek
podle obr 35 každaacute se dvěma zaacutevity U tohoto uspořaacutedaacuteniacute hraje důležitou roli smysl vinutiacute
Rx ciacutevek (označeniacute počaacutetku a konce vinutiacute) a jejich přesnaacute poloha Tx musiacute prochaacutezet přesně
v jedneacute polovině vzdaacutelenosti l
Obr 35 Geometrickeacute uspořaacutedaacuteniacute je voleno tak že pokud neprochaacuteziacute detektorem kontaminant napětiacute
indukovaneacute napaacutejenou ciacutevkou Tx do Rx ciacutevek je minimaacutelniacute
Jak bylo řečeno v kapitole 32 pro detekci kovu je podstatneacute elektromagnetickeacute pole
Elektrickeacute pole je odstraněno na primaacuterniacutem vinutiacute vstupniacuteho transformaacutetoru TR s dvojityacutem
primaacuterniacutem vinutiacutem zapojenyacutem proti sobě v poměru k sekundaacuterniacutemu vinutiacute 1+130 umiacutestěnyacutem
na Rx boardu Na obraacutezku 36 je zapojeniacute vstupniacuteho obvodu Rx boardu Elektrickaacute složka
pole maacute vůči zemi na obou vyacutevodech Rx ciacutevek stejnyacute průběh Primaacuterniacute vinutiacute TR maacute
vyvedenyacute střed na zem čiacutemž se elektrickaacute složka pole uzemniacute (teče proud) Protože jsou
Rx1 ciacutevka
Rx2 ciacutevka
Tx ciacutevka
l
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
22
průběhy na obou vyacutevodech stejneacute magnetickeacute toky v TR vyvolaneacute proudem působiacute proti sobě
a na sekundaacuterniacute vinutiacute se neindukuje žaacutedneacute napětiacute Dojde-li k narušeniacute magnetickeacuteho pole
uvnitř detekčniacuteho prostoru vznikaacute rozdiacutel naindukovaneacuteho napětiacute v leveacutem a praveacutem vodiči Rx
ciacutevky Tento rozdiacutel napětiacute maacute za naacutesledek tok proudu kteryacute se uzaviacuteraacute přes primaacuterniacute vinutiacute
TR1 a indukuje napětiacute na sekundaacuterniacute straně Toto napětiacute je daacutele zpracovaacutevaacuteno
Obr 36 Vstupniacute obvod Rx boardu
34 Princip vyhodnocovaacuteniacute Signaacutel na sekundaacuterniacutem vinutiacute transformaacutetoru TR je zpracovaacutevaacuten blokem obvodů pro
uacutepravu signaacutelu Ten obsahuje aktivniacute filtr a integračniacute člen s niacutezko-šumovyacutem operačniacutem
zesilovačem Za integračniacutem členem je měřiciacute bod kteryacute je využit při oživovaacuteniacute detektorů
Napětiacute Ub (balance signal) v tomto bodě se zobrazuje na osciloskopu a jeho maximaacutelniacute
hodnota by neměla přesaacutehnout 6 V špička - špička Čiacutem je rozkmit toho napětiacute nižšiacute tiacutem lze
dosaacutehnout vyššiacute citlivosti detektoru (kap 35 Vyvažovaacuteniacute detektoru) Nuloveacuteho rozkmitu
nelze dosaacutehnout mimo jineacute kvůli vyacuterobniacutem toleranciacutem zařiacutezeniacute a nehomogenitaacutem Citlivost
elektronickyacutech čaacutestiacute je velmi vysokaacute a uplatňujiacute se rušiveacute vlivy při jejich činnosti (vliv
teploty mechanickeacute chvěniacute) Napětiacute Ub odpoviacutedaacute vyrovnaacutevaciacutemu proudu v Rx ciacutevkaacutech
Přiacuteklad jeho průběhu bez kontaminantu je na obr 37
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
23
Obr 37 Přiacuteklad průběhu napětiacute Ub
Napětiacute Ub je přivaacuteděno na dva samostatneacute elektronickeacute obvody (řiacutezeneacute usměrňovače)
ovlaacutedaneacute řiacutediacuteciacutemi napětiacutemi z mikrokontroleru (na Tx boardu) Dvě řiacutediacuteciacute napětiacute jednoho
usměrňovače jsou vůči sobě o π posunuty a zaacuteroveň jsou posunuty o π2 proti dvěma řiacutediacuteciacutem
napětiacutem druheacuteho usměrňovače Vyacutesledkem jsou dva napěťoveacute signaacutely (P a Q) ktereacute jsou daacutele
zpracovaacutevaacuteny (integrace zesiacuteleniacute) s možnostiacute ručniacute volby zesiacuteleniacute ve čtyřech stupniacutech
(ovlaacutedaacuteniacute citlivosti detektoru) Tyto signaacutely jsou již nositelem informace a jsou na Control
boardu převedeny do digitaacutelniacute podoby Takto upraveneacute signaacutely jsou vyhodnocovaacuteny
algoritmy v hlavniacutem mikrokontroleru
35 Vyvažovaacuteniacute detektoru Zaacutekladem kvalitniacute a stabilniacute detekce je ciacutevkovyacute systeacutem Aby se dosaacutehlo co nejlepšiacuteho
vyvaacuteženiacute ciacutevek je nutnaacute přesnaacute bytelnaacute a rozměrově staacutelaacute konstrukce Detektory společnosti
Loma Systems sro majiacute ciacutevky uloženeacute ve vyfreacutezovanyacutech draacutežkaacutech a zajištěneacute epoxidovyacutem
lepidlem I přes to je detektor po osazeniacute elektronikou značně nevyvaacuteženyacute balančniacute napětiacute Ub
překračuje požadovanou hodnotu 6 V špička - špička natolik že může dojiacutet i k saturaci
elektronickyacutech obvodů Je tedy nutneacute ciacutevkovyacute systeacutem vyvaacutežit (vybalancovat)
Nejprve se provede hrubeacute laděniacute spočiacutevajiacuteciacute v tvarovaacuteniacute maleacute smyčky Tx vinutiacute v čele
detektoru obr 38
0 T2 T
25 V Ub
-25 V
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
24
Obr 38 Vyvažovaciacute očko na Tx vinutiacute a vlepenyacute pliacutešek uvnitř detekčniacuteho otvoru
Tato smyčka plniacute funkci kompenzačniacuteho vinutiacute po natvarovaacuteniacute je očko zaliteacute epoxidovyacutem
lepidlem U detektorů s vnitřniacute uacutepravou detekčniacuteho otvoru modryacutem epoxidem se do
detekčniacuteho otvoru daacutele vlepujiacute vyvažovaciacute pliacutešky různyacutech tvarů a velikostiacute (od 1 cm2 do 4
cm2) obr 38 ktereacute se naacutesledně zalijiacute do roviny modryacutem epoxidem Jako materiaacutel
vyvažovaciacutech pliacutešků je použita nerezovaacute ocel ANSI 304 (DIN 14301) tloušťky 2 mm Druhyacute
typ detektorů s odolnyacutem plastovyacutem povrchem (typ US) neumožňuje vlepovaacuteniacute pliacutešků
dovnitř detekčniacuteho otvoru Balancovaacuteniacute se tedy provaacutediacute přesnějšiacutem tvarovaacuteniacutem Tx očka
popřiacutepadě vlepovaacuteniacutem pliacutešků v jeho okoliacute
Pro jemneacute doladěniacute se u obou těchto variant (US typ a klasickyacute s modrou epoxidovou
vyacuteplniacute detekčniacuteho otvoru) osazujiacute balančniacute moduly obr 39 ktereacute na plastoveacutem otočneacutem diacutelu
majiacute tuning block o rozměrech cca 05 cm2 z 5 mm tlusteacuteho nerezu Oba balančniacute moduly
umožňujiacute pohyb tuning blocku v okoliacute vyvažovaciacuteho očka
Obr 39 Balančniacute moduly i s kryciacutemi plechy vlevo US vpravo klasickyacute
Tyto moduly nejsou přiacuteliš efektivniacute a sloužiacute pouze k miacuterneacutemu vyvaacuteženiacute Použiacutevajiacute se dva typy
Tuning block
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
25
těchto modulů podle varianty vnitřniacute vyacuteplně detektoru (US typ a klasickyacute s modrou
epoxidovou vyacuteplniacute detekčniacuteho otvoru) Jedniacutem z přijatyacutech naacutevrhů pro vylepšeniacute detektorů s
modrou epoxidovou vyacuteplniacute je použitiacute stejneacuteho balančniacuteho modulu jako u detektoru typu US
Vyacuterobniacute cena US balančniacuteho modulu je podstatně nižšiacute a umožňuje změnu polohy
vyvažovaciacuteho diacutelu nejen po obvodu kružnice ale i změnu vzdaacutelenosti mezi rovinami očka a
tuning bloku Změna teacuteto vzdaacutelenosti se využije v přiacutepadě kdy po osazeniacute detektoru s modrou
epoxidovou pryskyřiciacute balančniacutem modulem dojde ke zhoršeniacute vyvaacuteženiacute ktereacute pouhyacutem
natočeniacutem po kružnici nelze vykompenzovat Použiacutevaacuteniacutem pouze balančniacuteho modulu typu
US by se dosaacutehlo sniacuteženiacute počtu součaacutestek ve vyacuterobniacutem procesu sniacuteženiacute naacutekladů na vyacuterobu
detektoru s modrou epoxidovou vyacuteplniacute detekčniacuteho prostoru a odstranil by se i probleacutem
vznikajiacuteciacute při osazeniacute těchto detektorů balančniacutemi moduly
Dalšiacute naacutevrh se tyacutekal materiaacutelu použiteacuteho na tuning block Snahou bylo zvyacutešit vliv
tuning bloku natolik aby bylo možneacute vynechat kompenzačniacute očko čiacutemž by došlo k urychleniacute
laděniacute Byly testovaacuteny materiaacutely FeNi47ln5 tloušťky 03 mm a FeNi42 tloušťky 04 mm Byl
zvolen tvar kteryacute umožňoval použitiacute staacutevajiacuteciacutech US modulů obr 310 Vliv tuning blocků
se sice zvyacutešil nicmeacuteně ne natolik aby mohlo byacutet vyvažovaciacute očko zcela vynechaacuteno
Obr 310 Prototypy tuning blocků z novyacutech materiaacutelů
36 Vyacutestupniacute kontrola Před samotnou expediciacute detektoru je nutneacute proveacutest kontrolu detekce Kvalita detekce
je ověřovaacutena třemi typy kontaminantů neželeznyacute - NONFE (mosaz) železnyacute - FE (chromovaacute
ocel) a nerezovyacute - SS (ANSI 304) K tomu jsou určeny přiacutepravky na obr 311 a 312 Jednaacute
se o kuličky definovanyacutech průměrů ktereacute jsou zaliteacute v plastovyacutech tyčinkaacutech opatřenyacutech
rozměrovou specifikaciacute kontaminantu Barva tyček odlišuje použityacute typ kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
26
Obr 311 Testovaciacute vzorky pro dopravniacutekoveacute detektory
Obr 312 Testovaciacute vzorky pro farmaceutickeacute detektory
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
27
4 Optimalizace a stiacuten ěniacute detektoru Jedniacutem z bodů teacuteto praacutece je navrženiacute optimalizaciacute průmysloveacuteho detektoru kovu z
hlediska kvality detekce a vyšetřeniacute elektromagnetickeacuteho pole s ohledem na rušiveacute vlivy Z
počaacutetku byly provaacuteděny pokusy se stiacuteněniacutem ciacutevek s ohledem na rušeniacute vnějšiacutem
elektromagnetickyacutem polem Prvniacute uacutevahy vedly k použitiacute stiacuteniacuteciacuteho materiaacutelu s velkou
permeabilitou kteryacute by do sebe soustředil většiacute množstviacute indukčniacutech čar unikajiacuteciacutech do okoliacute
a tiacutem omezil vnějšiacute rušeniacute Na zaacutekladě teacuteto uacutevahy byly testovaacuteny dva materiaacutely FeNi47ln5
tloušťky 03 mm a FeNi42 tloušťky 04 mm ktereacute mohou dosahovat relativniacute permeability až
micror_12106 [5] Těmito pokusy se sice sniacutežilo množstviacute indukčniacutech čar magnetickeacuteho pole
unikajiacuteciacuteho z detektoru ale vlivem přiacuteliš velkeacute permeability bylo ovlivněno i pole uvnitř
detekčniacuteho prostoru kde došlo ke sniacuteženiacute citlivosti Tento naacutevrh měl dalšiacute negativniacute faktory
jako je vysokaacute cena použityacutech materiaacutelů a omezeneacute vyacuterobniacute možnosti nedostačujiacuteciacute šiacuteřkou
paacutesů což by vedlo ke sklaacutedaacuteniacute plechů vedle sebe a tiacutem ke vzniku nehomogenit
Aby byly optimalizace efektivniacute je třeba znaacutet rozloženiacute elektromagnetickeacuteho pole
uvnitř detektoru a vlivy ktereacute na něj působiacute Proto bylo přistoupeno k využitiacute počiacutetačoveacuteho
softwaru Ansys Jednaacute se o profesionaacutelniacute software založenyacute na metodě konečnyacutech prvků Je
určen předevšiacutem pro simulace mechanickeacuteho namaacutehaacuteniacute ale umožňuje i řešeniacute teplotniacutech
elektromagnetickyacutech a sdruženyacutech poliacute [6] Ansys byl vybraacuten předevšiacutem pro možnost řešeniacute i
3D probleacutemů V teacuteto praacuteci bylo z důvodů vyacutepočetniacute naacuteročnosti a velkeacuteho množstviacute
jednotlivyacutech vyacutepočtů přistoupeno k řešeniacute probleacutemu pouze ve dvourozměrneacutem prostoru V
tomto přiacutepadě je řešeno nestacionaacuterniacute magnetickeacute pole ktereacute popisuje rovnice (41) [7]
( ) extr JArotdt
dABArotrot =timesminus+
minus γυγmicro1
(41)
kde
BArot = (42)
A magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel
micro permeabilita
Br remanentniacute indukce
B magnetickaacute indukce
γ měrnaacute elektrickaacute vodivost
ν rychlost pohybu tělesa v magnetickeacutem poli
Jext vektor vnějšiacute proudoveacute hustoty
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
28
41 Vyšet řovaacuteniacute vlivu pozice Rx vinutiacute Nejprve byly provedeny simulace staacutevajiacuteciacuteho zařiacutezeniacute o rozměrech detekčniacuteho otvoru
150 mm x 350 mm Zaacutekladniacute geometrie probleacutemu je na obraacutezku 41 Pro řešeniacute zaacutekladniacuteho
probleacutemu by bylo možneacute použiacutet symetrii modelu pokud však model doplniacuteme o kontaminant
možnost teacuteto symetrie odpadaacute Byly provedeny tři seacuterie vyacutepočtů ktereacute se lišily materiaacutelem
kontaminantu Každaacute seacuterie se sklaacutedala z 24 samostatnyacutech vyacutepočtů ve kteryacutech se postupně
měnila pozice kontaminantu tak jako je tomu při skutečneacute situaci na dopravniacutem paacutesu
Použityacutem APDL skriptem by bylo možneacute řešit i průchody kontaminantu v různyacutech vyacuteškaacutech
detekčniacuteho otvoru Pro potřeby těchto vyacutepočtů byl průchod zvolen středem jelikož je zde
citlivost detektoru nejnižšiacute Nutno poukaacutezat na skutečnost že kontaminant reprezentovanyacute
kružniciacute v řezu detektoru nelze považovat za kulovyacute nyacutebrž za vodič kruhoveacuteho průřezu
stejneacute deacutelky jako Tx respektive Rx vinutiacute Rozmeziacute pohybu kontaminantu bylo od -230 mm
do 230 mm vůči Tx vinutiacute s krokem 20 mm Obdeacutelniacuteky v okoliacute Tx vinutiacute byly vytvořeny za
uacutečelem možnosti zjemněniacute vyacutepočetniacute siacutetě v prostoru Tx a Rx vinutiacute Na obraacutezku 41 nejsou
namodelovaacuteny Rx ciacutevky neboť hodnota naindukovaneacuteho napětiacute byla ziacuteskaacutevaacutena v pěti
různyacutech vyacuteškovyacutech poziciacutech a bylo hodnoceno indukovaneacute napětiacute Ui
Obr 41 Zaacutekladniacute geometrie
nerezovyacute kryt
vodiče Tx vinutiacute
kontaminant
obdeacutelniacuteky vzduchoveacuteho okoliacute s jemnějšiacute vyacutepočetniacute siacutetiacute střed souřadneacuteho
systeacutemu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
29
411 Preprocessing - p řiacuteprava skriptu Nejprve bylo nutneacute zjistit geometrickeacute rozměry a materiaacuteloveacute konstanty zkoumaneacuteho
detektoru Geometrickeacute rozměry byly ziacuteskaacuteny z databaacuteze Solidworks modelů společnosti
Loma Systems sro V kapitole 71 je uacuteryvek APDL skriptu pro tvorbu geometrie
Materiaacutely použiteacute v modelu jsou vzduch vodiče Tx vinutiacute nerezovyacute obal detektoru a
materiaacutely kontaminantů V raacutemci zjednodušeniacute modelu nebyly uvažovaacuteny PVC izolace Tx
vinutiacute samotneacute Tufneloveacute jaacutedro a materiaacutel s niacutemž je prostor mezi jaacutedrem a nerezovyacutem
krytem vyplněn neboť tyto materiaacutely vykazujiacute z pohledu šiacuteřeniacute elektromagnetickeacuteho pole
stejneacute vlastnosti jako vzduch Konkreacutetniacute hodnoty materiaacutelovyacutech konstant viz tabulka 41
odpor Tx vinutiacute nebyl uvažovaacuten neboť jeho plochy byly zatiacuteženy definovanou proudovou
hustotou tudiacutež neniacute možneacute uvažovat přiacutepadně naindukovaneacute viacuteřiveacute proudy Daacutele bylo nutneacute
zvolit a spraacutevně nastavit použiteacute elementy modelu
Tab 41 Materiaacuteloveacute vlastnosti
měrnaacute
permeabilita [-] měrnyacute elektrickyacute
odpor [Ωm]
vzduch 1 -
Tx vinutiacute 1 -
nerezovaacute ocel (ANSI 304 DIN 14301)
1008 [10] 72010-7
neželeznyacute kontaminant (mosaz)
1 75010-8
železnyacute kontaminant (chromovaacute ocel)
400 12010-7
nerezovyacute kontaminant (ANSI 304 DIN 14301) 1008 72010-7
Jako elementy daneacuteho modelu byly zvoleny elementy PLANE53 určeneacute pro řešeniacute
magnetickeacuteho pole Jednaacute se o osmi uzloveacute elementy ktereacute mohou miacutet až čtyři stupně
volnosti na uzel Stupně volnosti mohou byacutet magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel (AZ) časově
integrovanyacute elektrickyacute skalaacuterniacute potenciaacutel (VOLT) elektrickyacute proud (CURR) a
elektromotorickaacute siacutela (EMF) [6] Geometrie elementu na obr 42
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
30
Obr 42 Geometrie elementu PLANE53 [6]
Uacuteryvek koacutedu v kapitole 72 obsahuje definovaacuteniacute materiaacutelovyacutech vlastnostiacute definovaacuteniacute
elementů a jejich nastaveniacute V dalšiacute časti bylo nutneacute jednotliveacute materiaacutely a elementy přiřadit
danyacutem plochaacutem
Daacutele bylo zapotřebiacute nastavit atributy pro automatickeacute siacuteťovaacuteniacute oblasti Je nutneacute aby v
tenkyacutech a malyacutech plochaacutech byla vyššiacute hustota siacutetě než na velkyacutech plochaacutech kde postačuje siacuteť
řidšiacute Velmi důležitaacute je kompatibilita siacutetě proto byla v okoliacute Tx vodičů vytvořena
obdeacutelniacutekovaacute oblast s hustšiacute siacutetiacute viz uacuteryvek koacutedu v přiacuteloze 73
Obr 43 Detailniacute pohled na siacuteť elementů
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
31
V posledniacute čaacutesti preprocessingu byla definovaacutena Dirichletova okrajovaacute podmiacutenka
udaacutevajiacuteciacute magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel roven nule na vnějšiacute hrany vzduchoveacuteho okoliacute a
průběh budiacuteciacute proudoveacute hustoty v Tx vodičiacutech V horniacutem a dolniacutem vodiči měly toky opačnyacute
smysl proto bylo nutneacute vytvořit dva vektory hodnot J1 (obr 44) a mJ1 V posledniacute řadě bylo
provedeno přiřazeniacute průběhů k plochaacutem viz kapitola 74
Obr 44 Průběh proudoveacute hustoty v ploše Tx vodiče
Ansys byl do Solution modu přepnut přiacutekazem SOL kde se provedlo nastaveniacute
analyacutezy a byl spuštěn vyacutepočet viz kapitola 76
412 Postprocessing - ziacuteskaacutevaacuteniacute vyacutesledk ů Ciacutelem teacuteto čaacutesti bylo zjištěniacute průběhů naindukovanyacutech napětiacute Ui v zaacutevislosti na čase
pro různeacute vyacuteškoveacute pozice přijiacutemaciacutech ciacutevek Rx Pro indukovaneacute napětiacute platiacute vztah
( )Vndt
dU i sdotΦminus= (43)
kde
( )TdxBlx
x
Yint sdotsdot=Φ2
1
(44)
n počet zaacutevitů Rx vinutiacute
l deacutelka Rx vinutiacute ve směru osy Z
x1 a x2 šiacuteřka Rx vinutiacute ve směru osy X
BY složka magnetickeacute indukce v ose Y
Zadaacuteniacutem souřadnic dvou bodů se nadefinovala uacutesečka (cesta) na kterou byly s určityacutem
J (Am-2)
kroky vyacutepočtu (-)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
32
krokem zaznamenaacuteny hodnoty magnetickeacute indukce BY Průběh BY v zaacutevislosti na souřadnici X
je na obr 45
Obr 45 Průběh magnetickeacute indukce BY v zaacutevislosti na souřadnici X
Obr 46 Průběh magnetickeacuteho toku Φ v zaacutevislosti na souřadnici X
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
33
Integrovaacuteniacutem průběhu BY se ziacuteskal průběh magnetickeacuteho indukčniacuteho toku Φ obr 46
Magnetickyacute indukčniacute tok Φ je roven určiteacutemu integraacutelu (rovnice 44) průběhu BY obr 45 Z
toho vyplyacutevaacute že magnetickyacute indukčniacute tok je roven posledniacute hodnotě průběhu na obr 46
Tato hodnota se vynaacutesobila deacutelkou Rx vinutiacute Postup vyacutepočtu se opakoval pro všechny pozice
Rx vinutiacute a to v každeacutem kroku transientniacute analyacutezy Tiacutem se ziacuteskala zaacutevislost magnetickeacuteho
indukčniacuteho toku Φ na čase t V programu MS Excel se vynaacutesobil tok počtem zaacutevitů Rx vinutiacute
a byla provedena derivace podle času (rovnice 43) Takto byly zpracovaacuteny vyacutesledky pro
všechny pozice kontaminantu vůči Tx vinutiacute APDL skript pro ziacuteskaacutevaacuteniacute hodnot viz kapitola
76 a v kapitole 77 je vyacutepis makra ktereacute uklaacutedaacute hodnoty do souboru
413 Hodnoceniacute vyacutesledk ů Vypočteneacute hodnoty Ui ve všech pěti vyacuteškovyacutech poziciacutech hrx byly vyneseny do grafů v
zaacutevislosti na čase Pokud se vynesou do jednoho grafu průběhy indukovanyacutech napětiacute pro
každou pozici kontaminantu v daneacute vyacutešce lze sledovat odezvu indukovaneacuteho napětiacute na
polohu kontaminantu Jelikož byly provedeny tři seacuterie vyacutepočtů s různyacutemi kontaminanty lze
porovnat i tvary přijiacutemanyacutech signaacutelu pro jednotliveacute materiaacutely Ciacutelem teacuteto čaacutesti je porovnat
signaacutely ziacuteskaacutevaneacute v různyacutech vyacuteškovyacutech polohaacutech Rx vinutiacute a vybrat nejvhodnějšiacute signaacutel pro
detekci
Na naacutesledujiacuteciacutech grafech jsou znaacutezorněny napěťoveacute průběhy během jedneacute periody v
zaacutevislosti na poloze kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
34
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 47 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 48 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
35
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 49 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 410 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
36
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 411 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 5)
Na obraacutezciacutech 47 až 411 jsou zobrazeny průběhy odpoviacutedajiacuteciacute průchodu železneacuteho
kontaminantu s relativniacute permeablitou 400 a měrnyacutem elektrickyacutem odporem 10210-7 Ωm Na
průběziacutech 47 48 a 411 lze pozorovat sice nižšiacute hodnotu signaacutelu ale celkovaacute deformace
během průchodu kontaminantu je většiacute
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 412 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
37
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 413 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 414 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
38
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 415 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 416 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce5)
Na obraacutezciacutech 412 až 416 jsou zobrazeneacute průběhy odpoviacutedajiacuteciacute průchodu kontaminantu z
nerezu ANSI 304 s relativniacute permeablitou 1008 a měrnyacutem elektrickyacutem odporem 7210-7
Ωm Při porovnaacuteniacute s předchoziacutem kontaminantem je změna signaacutelu nižšiacute což odpoviacutedaacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
39
předpokladům o obtiacutežnějšiacute detekci nerezovyacutech kontaminantů
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 417 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 418 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
40
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 419 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 420 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
41
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 421 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 5)
Na obraacutezciacutech 417 až 421 jsou zobrazeny průběhy odpoviacutedajiacuteciacute neželezneacutemu
kontaminantu (mědi) s parametry relativniacute permeablita 1 a měrnyacute elektrickyacute odpor 7510-8
Ωm Průběh signaacutelu je velmi podobnyacute signaacutelům nerezoveacuteho kontaminantu
Porovnaacuteniacutem všech grafů (obr 47 - obr 422) je obecně vidět že u průběhů ve vyacutešce
3 a 4 je zisk signaacutelu pro všechny modelovaneacute kontaminanty největšiacute Dochaacuteziacute zde ale ke
změně amplitudy pouze v jednom smyslu což z hlediska vyhodnocovaciacutech algoritmů zlepšeniacute
detekce vylučuje Naproti tomu je u signaacutelu ve vyacutešce 5 znatelně vyššiacute amplituda než v
použiacutevaneacute vyacutešce 2 Na zaacutekladě tohoto zjištěniacute bude zhotoven prototyp detektoru za uacutečelem
ověřeniacute teoretickyacutech vyacutesledků
Na obraacutezku 422 je ukaacutezka grafickeacuteho vyacutestupu zobrazujiacuteciacuteho vektory proudoveacute
hustoty naindukovaneacute v nerezoveacutem krytu a v kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
42
Obr 422 Vektory proudovyacutech hustot naindukovanyacutech do kontaminantu a nerezoveacuteho krytu
Obraacutezek 423 zobrazuje kontury magnetickeacuteho pole ve stejneacutem časoveacutem kroku jako obr
422 Pole ktereacute je konturami zobrazeno je tvořeno praacutevě proudovou hustotou obr 422 Je
zde možneacute pozorovat jak se pole deformuje přiacutetomnyacutem kontaminantem
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
43
Obr 423 Kontury magnetickeacuteho vektoroveacuteho potenciaacutelu s viditelnou deformaciacute pole způsobenou
feromagnetickyacutem kontaminantem
42 Vyšet řovaacuteniacute množstviacute vyza řovaneacute energie V teacuteto čaacutesti se vychaacutezelo z předpokladu že intenzita elektromagnetickeacuteho pole uvnitř
detektoru je mnohem většiacute než elektromagnetickyacute šum kteryacute do detektoru vnikaacute z okoliacute
Proto lze předpoklaacutedat že rušeniacute bude způsobeno předevšiacutem deformaciacute vlastniacuteho
vyzařovaneacuteho pole v bliacutezkeacutem okoliacute detektoru To vede ke snaze snižovat množstviacute vlastniacuteho
vyzaacuteřeneacuteho pole ven z detektoru aby nemohlo byacutet deformovaacuteno okolniacutemi předměty
421 Řešeniacute probleacutemu Bylo porovnaacuteno pět variant detektorů bez průchodu kontaminantu Každaacute varianta se
řešila jedniacutem vyacutepočtem z čehož plyne malaacute časovaacute naacuteročnost a proto byly probleacutemy řešeny
bez využitiacute symetrie Prvniacute byl staacutevajiacuteciacute detektor o tloušťce kryciacuteho nerezoveacuteho plechu 3 mm
druhyacute byl stejneacute geometrie ale za použitiacute silnějšiacuteho 5 mm tlusteacuteho nerezu Třetiacute typ měl
tloušťku 3 mm ale na horniacute a dolniacute stěně bylo přidaacuteno dalšiacute stiacuteněniacute z nerezu ve tvaru T (obr
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
44
426) Posledniacute dva naacutevrhy měly pravouacutehlyacute tvar krytu celkově menšiacutech rozměrů z nichž jeden
byl jednoduchyacute o tloušťce 3 mm (obr 427) a druhyacute měl shora a zdola dvojiteacute dno z nerezu
tloušťky 3 mm (obr_428) Touto metodou by se dalo porovnaacutevat mnohem většiacute množstviacute
provedeniacute ktereacute by se mohly lišit i použityacutem materiaacutelem Vzduchoveacute okoliacute detektoru bylo
rozděleno na čtyři sektory v nichž se sečetly hodnoty magnetickeacute energie jednotlivyacutech
elementů v každeacutem kroku analyacutezy a tiacutem se ziacuteskal průběh množstviacute energie v daneacutem prostoru
na čase Objemovaacute hustota magnetickeacute energie byla zjišťovaacutena ve všech plochaacutech daneacute
geometrie a bylo možno sledovat jak se energie v čase přemisťuje
Obr 424 Geometrie varianty 3 mm
Obr 425 Geometrie varianty 5 mm
Obr 426 Geometrie varianty 3 mm-stineni
Obr 427 Geometrie varianty novy 1
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
45
Obr 428 Geometrie varianty novy 2
Přiacuteprava skriptů se od předchoziacutech vyacutepočtů lišila pouze v geometrii jinak byla
principiaacutelně stejnaacute Rozdiacutel byl však v čaacutesti post-processingu (ziacuteskaacutevaacuteniacute vyacutesledků) Aby bylo
možno přistupovat k jednotlivyacutem sektorům musel byacutet každyacute sektor definovaacuten vlastniacutem typem
elementů (elementy byly použity stejneacute jednaacute se pouze o čiacuteslovaacuteniacute) Byly použity osmkraacutet
elementy PLANE53
ET153 Tx vinuti ET253 prostor uvnitr detektoru ET353 nerezovy obal ET453 detekcni prostor ET553 vzduchove okoli - horni ET653 vzduchove okoli - pravy ET753 vzduchove okoli - dolni ET853 vzduchove okoli - levy
Přiacuteklad načiacutetaacuteniacute vyacutesledků pro jeden typ elementů
POST1 prepnutiacute do postprocesoru allsel oznaceni vsech elementu vytvoreni pole pro ukadani hodnot DIMenergie1TABLEkroku11timeE zapsani nulovych hodnot na zacatek vektoru vysledku energie1(00)=0 energie1(01)=0 cyklus ve kterem se nacitaji vysledky jednotlivych kroku simulace doi1kroku1 APPEND 1 i nacteni daneho kroku eseltype1 vybrani elementu typu 1 GET e_count1 ELEM count vraci mnozstvi elementu daneho typu GET e_next ELEM 0 NXTH vraci nejnizsi adresu elementu daneho typu v promenne e_next energ1=0 vynulovani promenne cyklus ktery postupne prochazi vsechy elementy daneho typu doj1e_count11 GET e_energ1 ELEM e_next SENE ulozi do promene e_energ1 mnozstvi energie v elementu s adresou e_next
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
46
GET e_next ELEM e_next NXTH posune adresu elementu o jedna energ1=energ1+e_energ1 pricte mnozstvi energie e_energ1 do kumulativni promnenne energ1 enddo konec vnitrniho cyklu energie1(i0)=i zapise do pole vysledku cislu jirju simulace energie1(i1)=energ1 zapise do pole vysledku mnozstvi energie v cele plose s elementy daneho typu enddo konec vnejsiho cyklu zapis_energ zavolani makra pro zapis vysledku do souboru
422 Hodnoceniacute vyacutesledk ů V jednotlivyacutech sektorech se provedla suma magnetickeacute energie pro každyacute krok
simulace Vyacutesledkem jsou průběhy množstviacute energie v daneacute ploše v zaacutevislosti na krociacutech
simulace (čase) Jednotliveacute varianty byly hodnoceny na zaacutekladě porovnaacuteniacute průběhů se
staacutevajiacuteciacutem detektorem
Energie v Tx vinutiacute
000E+00
100E-03
200E-03
300E-03
400E-03
500E-03
600E-03
700E-03
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 429 Energie v Tx vinutiacute
Na grafu (obr 429) je vidět že množstviacute energie v Tx vinutiacute neniacute zaacutevisleacute na geometrii a je
daacuteno budiacuteciacutem signaacutelem v Tx vinutiacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
47
Energie unit ř detektoru
000E+00
200E-02
400E-02
600E-02
800E-02
100E-01
120E-01
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 430 Energie uvnitř detektoru
Na obr 430 je znaacutezorněno množstviacute energie v prostoru detektoru do ktereacuteho neniacute
započiacutetaacutena detekčniacute oblast ta je zobrazena na obr 432 V teacuteto čaacutesti neniacute pozorovaacutena žaacutednaacute
vyacuteraznaacute změna
Energie v nerezoveacutem obalu
000E+00
500E-05
100E-04
150E-04
200E-04
250E-04
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 431 Energie v nerezoveacutem obalu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
48
Vyacuteraznějšiacute změny se odehraacutevajiacute v nerezoveacutem obalu Nejmenšiacute množstviacute energie je v klasickeacute
3 mm tlusteacute a v 5 mm tlusteacute variantě U klasickeacute varianty se stiacuteněniacutem a u novyacutech naacutevrhů je
naacuterůst způsoben přibliacuteženiacutem nerezu k Tx vinutiacute
Energie v prostoru detek čniacuteho otvoru
000E+00
500E-03
100E-02
150E-02
200E-02
250E-02
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 432 Energie v prostoru detekčniacuteho otvoru
V oblasti detekčniacuteho otvoru je snaha o uchovaacuteniacute co největšiacuteho množstviacute energie neboť
zmenšeniacute energie vede ke sniacuteženiacute odezvy na kontaminant tedy ke sniacuteženiacute citlivosti detektoru
Z obr 432 je patrneacute že geometrickeacute uacutepravy detektoru (3 mm se stiacuteněniacutem novy 1 a novy 2)
vedou ke sniacuteženiacute množstviacute energie v tomto prostoru
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
49
Energie v horniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
100E-07
200E-07
300E-07
400E-07
500E-07
600E-07
700E-07
800E-07
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 433 Energie v horniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Energie v dolniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
100E-07
200E-07
300E-07
400E-07
500E-07
600E-07
700E-07
800E-07
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 434 Energie v dolniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Porovnajiacute-li se obr 433 a 434 je u variant 1 - 3 možneacute pozorovat rozdiacutely mezi horniacute a dolniacute
plochou Je zde na prvniacute pohled vidět jak horniacute oblouk snižuje množstviacute energie unikajiacuteciacute do
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
50
okoliacute Jako uacutečinneacute se z pohledu těchto sektorů jeviacute varianta klasickeacuteho detektoru se stiacuteněniacutem a
novyacute naacutevrh s dvojityacutemi stěnami
Energie v praveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
500E-06
100E-05
150E-05
200E-05
250E-05
300E-05
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 435 Energie v praveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Energie v leveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
500E-06
100E-05
150E-05
200E-05
250E-05
300E-05
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 436 Energie v leveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
51
Pravyacute a levyacute sektor je z důvodů symetrie stejnyacute na obrazciacutech 435 a 436 lze pozorovat tzv
metal free zoacutenu kteraacute se u detektorů udaacutevaacute Jednaacute se o prostor před a za detekčniacutem otvorem
ve ktereacutem se nesmiacute nachaacutezet žaacutednyacute kovovyacute materiaacutel (z důvodu ovlivňovaacuteniacute pole) snahou je
tuto zoacutenu co nejviacutece zmenšit Z grafů je patrneacute že novyacute naacutevrh s dvojityacutemi stěnami vykazuje
nejmenšiacute množstviacute energie v teacuteto oblasti Naopak u klasickeacute varianty se stiacuteněniacutem došlo k
vytlačeniacute pole z vnitřku detektoru praacutevě do těchto okolniacutech zoacuten
Na zaacutekladě těchto poznatků bude provedeno ověřeniacute na skutečnyacutech zařiacutezeniacutech Mezi
použitelneacute varianty připadaacute klasickaacute konstrukce doplněnaacute o stiacuteněniacute a novyacute naacutevrh s dvojityacutemi
stěnami U toho je však velkaacute hrozba sniacuteženiacute citlivosti způsobeneacute menšiacutem množstviacutem energie
v detekčniacutem prostoru
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
52
5 Zaacutevěr Ciacutelem předklaacutedaneacute praacutece je zlepšeniacute činnosti detektorů kovů přiacutepadně uacuteprava
technologie vyacuteroby při současneacutem sniacuteženiacute vyacuterobniacutech naacutekladů Předpokladem uacutespěšnyacutech
naacutevrhů byla podrobnaacute studie činnosti a principu těchto zařiacutezeniacute kteraacute jsou vyacuterobcem po
několik let uacutespěšně prodaacutevaacutena na světovyacutech trziacutech
Na zaacutekladě těchto požadavků byly provedeny některeacute testy ktereacute měly ověřit
předpoklaacutedanaacute zlepšeniacute Nejširšiacute možnosti přinaacutešiacute modelovaacuteniacute magnetickeacuteho pole
průmyslovyacutech detektorů počiacutetačovou simulaciacute kteraacute je zatiacutem schopna řešit zadaneacute probleacutemy
v dvourozměrneacutem prostoru Nejčastěji řešeneacute probleacutemy jsou staacutele spojeny se zaacutekladniacutem
principem činnosti těchto zařiacutezeniacute tj vlivem a působeniacutem kontaminantu na
elektromagnetickeacute pole buzeneacute ciacutevkami uvnitř detektoru a nepřiacuteznivyacute vliv vnějšiacutech rušivyacutech
poliacute např při současneacute činnosti sousedniacutech detektorů Dalšiacutem zdrojem rušivyacutech magnetickyacutech
poliacute může byacutet i činnost a přiacutetomnost různyacutech elektrickyacutech zařiacutezeniacute probleacutem spojenyacute s
vhodnyacutem materiaacutelem a tvarem stiacuteněniacute těchto zařiacutezeniacute
Vzhledem k maximaacutelniacute citlivosti elektronickyacutech obvodů a požadovaneacute pečlivosti při
balancovaacuteniacute (vyvažovaacuteniacute) se vyskytuje probleacutem kteryacute souvisiacute se staacutelostiacute nastaveniacute detektoru
při mechanickeacutem otřesu přiacutepadně odstraněniacute změn ke kteryacutem dochaacuteziacute vlivem dopravy
Dalšiacutem plaacutenovanyacutem krokem je namodelovaacuteniacute probleacutemu v trojrozměrneacutem prostoru od
ktereacuteho je očekaacutevaacuteno zohledněniacute dalšiacutech vlivů a tiacutem zpřesněniacute samotneacuteho vyacutesledku
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
53
6 Použitaacute literatura [1] Internetoveacute straacutenky společnosti Loma Systems sro
httpwwwlomacom_czindexshtml
[2] Haacutejek J Jarchovskyacute Z Detektory kovů - naacutevod na stavbu nakladatelstviacute BEN Praha
2010
[3] Beneda L Detektory kovů bakalaacuteřskaacute praacutece ZČU Plzeň 2010
[4] Internetoveacute straacutenky společnosti Ad controls sro
httpwwwadcontrolsczdetektory_kovu_zakladni_pojmy
[5] KOVOHUTĚ ROKYCANY as COMTES FHT as MATEX sro Průběžnaacute
zpraacuteva k projektu FeNi - čj 1021207 - 32 za rok (2007 - 2009)
[6] Ansys Inc ANSYS HELP Release 130 Dokumentace k programu
[7] Karban P a kolektiv autorů Aplikace teoretickeacute elektrotechniky Skripta ZČU Plzeň
2011
[8] Benešovaacute Z Ulrych B Přiacuteručka pro použitiacute programů ve vyacuteuce teorie
elektromagnetickeacuteho pole Skripta ZČU Plzeň 1997
[9] Loma Systems sro Knowledge Base - Interniacute dokumentace společnosti
[10] Internetoveacute straacutenky společnosti Aerospace specification metals Inc
httpasmmatwebcomsearchSpecificMaterialaspbassnum=MQ304A
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
1
7 Přiacutelohy
71 Tvorba geometrie PREP7 prepnuti do rezimu preprocesingu jj=8 index polohy kontaminantu r1=05e-3 polomer Tx vodice 05 mm r2=15e-3 polomer kontaminantu 15 mm c=90e-3 sirka Rx civek h=1767e-3 vzdalenost mezi Tx vinutim hrx=(h2)+526e-3 zakladni vyskova poloha mezi Rx civkami hss=175e-3 vyska nerezoveho krytu wss=150e-3 sirka nerezoveho krytu tss=3e-3 tloustka nerezove steny hd=h-227e-3 vyska detekcniho otvoru wok=1000e-3 sirka vzduchoveho okoli hok=1000e-3 vyska vzduchoveho okoli wkon=(-250e-3)+(jj20e-3) poloha kontaminantu na ose X tvorba geometrickych bodu nerezoveho krytu K1022589e-30 K2022185e-30 K3-7907e-321208e-30 K4-78e-32085e-30 K57907e-321208e-30 K678e-32085e-30 K7-wsshss0 K8-wss+tsshss-tss0 K9wsshss0 K10wss-tsshss-tss0 K11-wss-hss0 K12-wss+tss-hss+tss0 K13wss-hss0 K14wss-tss-hss+tss0 vytvoreni ploch definovanymi body FLST273 FITEM27 FITEM23 FITEM21 FITEM25 FITEM29 FITEM213 FITEM211 AP51X FLST273 FITEM28 FITEM24 FITEM22 FITEM26 FITEM210 FITEM214 FITEM212 AP51X CYL40h2r1 plocha horniho Tx vodice CYL40-h2r1 ploch dolniho Tx vodice BLC50((h2)+hrx)2100e-310e-3 plocha horniho vzduchoveho okoli Tx vodice BLC50-((h2)+hrx)2100e-310e-3 plocha dolniho vzduchoveho okoli Tx vodice BLC5002wsshd plocha detekcniho ootvoru APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch odstraneni ploch ktere budou sjednoceny se vzduchovym okolim
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
2
FLST255ORDE4 FITEM210 FITEM2-12 FITEM215 FITEM218 ADELEP51X BLC500wokhok vytvoreni plochy vzduchoveho okoli APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch CYL4wkon0r2 vytvoreni plochy kontaminantu APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch konec tvorby geometrickeho modelu
72 Definice element ů materiaacutel ů a jejich p řiřazeniacute k plochaacutem definovani materialu MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX11 material 1 Tx permeabilita 1 MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX21 material 2 Air permeabilita 1 MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX31008 material 3 nerezovy kryt SS ANSI 304 permeabilita MPTEMP MPTEMP10 MPDATARSVX372e-7 material 3 nerezoovy kryt SS Ansi 304 rezistivita MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX4400 material 4 Kontaminant permeabilita MPTEMP MPTEMP10 MPDATARSVX4102e-7 material 4 Kontaminant rezistivita definovani elementu ET153 Tx civky ET253 Vzduch ET353 nerezovy kryt ET453 kontaminant nastaveni elementu KEYOPT110 Tx civky KEYOPT120 KEYOPT130 KEYOPT140 KEYOPT150 KEYOPT170 KEYOPT210 Air KEYOPT220 KEYOPT230 KEYOPT240 KEYOPT250 KEYOPT270 KEYOPT310 SS KEYOPT320 KEYOPT330 KEYOPT340 KEYOPT350
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
3
KEYOPT370 KEYOPT410 kontaminant KEYOPT420 KEYOPT430 KEYOPT440 KEYOPT450 KEYOPT470 prirazeni elementu a materialum k plocham FLST525ORDE2 Tx FITEM58 FITEM5-9 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 1 1 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 FLST535ORDE3 Air FITEM53 FITEM516 FITEM5-17 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 2 2 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 FLST525ORDE2 SS FITEM513 FITEM5-14 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 3 3 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 CM_YAREA kontaminant ASEL 1 CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 4 4 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
4
73 Siacuteťovaacuteniacute oblastiacute FLST275ORDE7 FITEM21 FITEM28 FITEM2-9 FITEM213 FITEM2-14 FITEM216 FITEM2-17 AESIZEP51X00005 nastaveni delky steny elementu 00005 m FLST215ORDE1 FITEM23 AESIZEP51X001 nastaveni delky steny elementu 001 m MSHAPE12D nastaveni 2D trojuhelnikove site MSHKEY0 FLST585ORDE8 FITEM51 FITEM53 FITEM58 FITEM5-9 FITEM513 FITEM5-14 FITEM516 FITEM5-17 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CHKMSHAREA CMSELS_Y AMESH_Y1 spusteni automatickeho sitovani CMDELE_Y CMDELE_Y1 CMDELE_Y2
74 Okrajovaacute podmiacutenka a nastaveniacute budiciacuteho pr ůběhu okrajova podminka FLST244ORDE4 FITEM214 FITEM212 FITEM27 FITEM25 DLP51X AZ0 nastaveni zatizeni parametry budici proudove hustoty f=35e3 frekvence signalu [Hz] part=600 pocet kroku signalu T_min=0 pocatek casove osy T_max=1f konec casove osy dt=T_maxpart casovy krok parametry prudove hustoty pi=4atan(1) s=pir12 I=600sqrt(2) N1=1 J1_a=IN1s definovani vzestupne casti pulsu tau=3 DIMJexTABLE5011timeJ Jex(11)=0
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
5
Jex(10)=0 doi2501 Jex(i1)=(J1_a)(1-exp(-itau)) Jex(i0)=(i) enddo definovani sestupne casti pulsu tau=3 DIMJex1TABLE5011timeJ Jex1(11)=J1_a Jex1(10)=0 doi2501 Jex1(i1)=(J1_a)(exp(-itau)) Jex1(i0)=(i) enddo sestaveni celeho pulsu DIMJex2TABLE10011timeJ Jex2(11)=0 Jex2(10)=0 doi2501 Jex2(i1)=Jex(i1) Jex2(i0)=(i) enddo doi511001 Jex2(i1)=Jex1(i-501) Jex2(i0)=(i) enddo priprava nulovych vektoru kladneho a zaporneho prubehu J DIMJ1TABLE60011timeJ DIMmJ1TABLE60011timeJ doi16001 J1(i0)=(i-1)dt time J1(i1)=0 J mJ1(i0)=(i-1)dt time mJ1(i1)=0 -J enddo vlozeni prvniho pulsu doi11001 J1(i1)=Jex2(i1) mJ1(i1)=-Jex2(i1) enddo vlozeni druheho pulsu doi3004001 J1(i1)=-Jex2(i-3001) mJ1(i1)=Jex2(i-3001) enddo prirazeni prubehu k plocham PREP7 FLST215ORDE1 FITEM28 BFAP51XJSJ1 FLST215ORDE1 FITEM29 BFAP51XJSmJ1
75 Nastaveniacute analyacutezy SOL prepnuti do Solution modu - nastaveni analyzy kroku=300 pocet kroku simulace ANTYPE4 TRNOPTFULL
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
6
NSUBSTkroku00 OUTRESERASE OUTRESALL1 TIMET_max solve spusti vypocet ulohy
76 Postprocessing POST1 prepne do Preprocesing modu krokyb=200 pocet kroku na delku coilgapu L=03 delka Rx snimace hrx1=(h2)+10e-3 jednotlive vyskove pozice Rx vinuti hrx2=(h2)+526e-3 hrx3=(h2) hrx4=((h2)-526e-3) hrx5=((h2)-10e-3) vytvoreni pole hodnot - 10 sloupcu x 300 radku sloupce odpovidaji poctu jednotlivych civek 2x5 (5 poloh horni a dolni civka) DIMTOKTABLEkroku101SUBSTEP TOK(00)=0 TOK(01)=0 TOK(02)=0 TOK(03)=0 TOK(04)=0 TOK(05)=0 TOK(06)=0 TOK(07)=0 TOK(08)=0 TOK(09)=0 TOK(010)=0 dok1kroku1 hlavni cyklus pocet cyklu odpovida poctu kroku analyzy APPEND 1 k nacteni k-teho kroku analyzy tato cast kodu je nutna pro kazdou civku zvlast (10x se opakuje) PATHHORNI26krokyb-1 definovani cesty horni civky PPATH10-c2hrx10 levy koncovy bod PPATH20c2hrx10 pravy koncovy bod PDEF BYAVG namapovani Y-slozky magneticke indukce B PCALCINTGINT_HORBYXGL vypocet integralu z By podle dX PBCPATH 0 PAGETHORNI1_TABL ulozeni hodnot ziskanych na definovane ceste do pole HORNI1_ PADELALL smazani cesty i s hodnotamy (pole HORNI1_ zustava) konec opakujici se casti prirazovani posledni hodnoty integralu do prislusneho pole vysledku TOK(k0)=k casova osa TOK(k1)=HORNI1_(krokyb6) TOK(k2)=DOLNI1_(krokyb6) TOK(k3)=HORNI2_(krokyb6) TOK(k4)=DOLNI2_(krokyb6) TOK(k5)=HORNI3_(krokyb6) TOK(k6)=DOLNI3_(krokyb6) TOK(k7)=HORNI4_(krokyb6) TOK(k8)=DOLNI4_(krokyb6) TOK(k9)=HORNI5_(krokyb6) TOK(k10)=DOLNI5_(krokyb6) DELPRM_ smaze vsechny pole vysledku koncici znakem _ enddo konec cyklu zapis_tok odkaz na skript pro zapsani pole vysledku do souboru txt
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
7
77 Makro Vyacutepis makra ktereacute uklaacutedaacute hodnoty do souboru tok_fitxt
MWRITETOK(111)tok_fitxt vytvori soubor tok_fitxt a ulozi do
nej matici vysletku TOK
(10E135) urcuje format zapisu hodnot - 10
sloupcu cisel o celkove delce 13ti
znaku z toho 5 za desetinou teckou
CFCLOS uzavre soubor
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
8
Eviden čniacute list
Souhlasiacutem s tiacutem aby moje bakalaacuteřskaacute praacutece byla půjčovaacutena k prezenčniacutemu studiu v
Univerzitniacute knihově ZČU v Plzni
Datum Podpis
Uživatel stvrzuje svyacutem čitelnyacutem podpisem že tuto bakalaacuteřskou praacuteci použil ke studijniacutem
uacutečelům a prohlašuje že ji uvede mezi použityacutemi prameny
Jmeacuteno Fakultakatedra Datum Podpis
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
12
magnetometr kteryacute detekuje objekty na zaacutekladě změny intenzity magnetickeacuteho pole země
vyvolaneacute hledanyacutem objektem Deformaci magnetickeacuteho pole země nezpůsobujiacute pouze kovy
ale i jineacute nehomogenity jako jsou jeskyně dutiny nebo remanentniacute magnetickeacute pole [2]
2 Principy aktivniacutech elektromagnetickyacutech detektor ů kovu
Pro detekci jsou obecně využiacutevaacuteny změny sniacutemaneacute veličiny ktereacute jsou způsobeny
hledanyacutem předmětem materiaacutelem Při vyhledaacutevaacuteniacute objektů elektromagnetickyacutem polem se
využiacutevaacute dvou materiaacutelovyacutech vlastnostiacute způsobujiacuteciacute jeho deformaci Zaprveacute je to deformace
pole feromagnetickyacutem materiaacutelem (např permaloy ferit železo) jehož magnetickaacute vodivost
převyšuje vodivost elektrickou a způsobuje soustředěniacute siločar pole do objektu obr 21
Obr 21 Feromagnetickyacute objekt Obr 22 Neferomagnetickyacute objekt
Materiaacutely u kteryacutech převyšuje elektrickaacute vodivost nad magnetickou (např měď hliniacutek)
uplatňujiacute druhyacute princip a tiacutem je deformace původniacuteho pole polem sekundaacuterniacutem Sekundaacuterniacute
pole vznikaacute viacuteřivyacutemi proudy naindukovanyacutemi ve vodiveacutem předmětu vystaveneacutemu původniacutemu
poli Ze zaacutekona o zachovaacuteniacute energie plyne že sekundaacuterniacute pole působiacute proti původniacutemu
Naacutesledkem tohoto jevu dojde k obtečeniacute objektu siločarami původniacuteho vyzařovaneacuteho pole
obr 22 [3]
21 Princip balan čniacutech detektor ů Většina průmyslovyacutech detektorů kovu pracuje na balančniacutem principu podrobnyacute popis
ostatniacutech principů je uveden napřiacuteklad ve [3]
Tento princip je založen na vyvaacuteženyacutech (vybalancovanyacutech) ciacutevkaacutech (IB ndash Induction
Balance) Z toho plyne že hledaciacute sonda je složena z minimaacutelně dvou ciacutevek popřiacutepadě dvou
systeacutemů ciacutevek z nichž jeden je vysiacutelaciacute a druhyacute pracuje jako přijiacutemač (Transmitter Receiver
ndash TR) Tyto detektory byacutevajiacute označovaacuteny TR-IB V přiacutepadě dvou ciacutevek je přijiacutemaciacute ciacutevka
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
13
umiacutestěna vzhledem k vysiacutelaciacute ciacutevce tak že naindukovaneacute napětiacute při nepřiacutetomnosti kovu je
rovno nule tzv uspořaacutedaacuteniacute překryacutevanyacutech ciacutevek tvaru D Stejneacuteho efektu lze dosaacutehnou při
pozici ciacutevek vzaacutejemně pootočenyacutech o 90deg Jestliže je na straně přiacutejmu soustava dvou ciacutevek
umiacutestiacute se vzhledem k vysiacutelaciacute ciacutevce tak že v nepřiacutetomnosti kovu se do ciacutevek indukuje stejně
velkeacute napětiacute ktereacute se mezi sebou odečte Rozdiacutelu obou napětiacute na přijiacutemaciacutech ciacutevkaacutech je roven
nule (obr 23)
Obr 23 Uspořaacutedaacuteniacute systeacutemu ciacutevek Jakaacutekoliv deformace pole vysiacutelaciacute ciacutevky maacute za naacutesledek porušeniacute rovnovaacutehy a na přijiacutemaciacute
straně se objeviacute napětiacute indikujiacuteciacute přiacutetomnost kovu Indukovaneacute napětiacute v přijiacutemaciacute ciacutevce lze
matematicky popsat vztahem (21)
( )ϕω +sdotsdot= tAU sin (21)
kde A amplituda signaacutelu
ω uacutehlovaacute frekvence signaacutelu
φ faacutezovyacute posuv oproti vysiacutelaneacutemu signaacutelu
Pokud se pod ciacutevkami nachaacuteziacute elektricky vodivyacute objekt z neferomagnetickeacuteho
materiaacutelu je pole deformovaacuteno sekundaacuterniacutem polem způsobenyacutem viacuteřivyacutemi proudy ktereacute
působiacute proti poli původniacutemu Pak přijiacutemaneacute napětiacute UPN v přijiacutemaciacute ciacutevce bude miacutet maximaacutelniacute
hodnotu v okamžiku největšiacute změny vysiacutelaneacuteho napětiacute UV V přiacutepadě indikace
feromagnetickeacuteho materiaacutelu je indukovaneacute napětiacute UPF ve faacutezi s vysiacutelaciacutem napětiacutem Protože je
v praxi nemožneacute dosaacutehnout absolutniacuteho vyvaacuteženiacute ciacutevek bude v přijiacutemaciacute ciacutevce vždy nějakeacute
maleacute napětiacute Na obr 24 jsou ideaacutelniacute přijiacutemaneacute signaacutely pro různeacute druhy kontaminantů U
obecnyacutech materiaacutelů se ve skutečnosti uplatňujiacute jak feromagnetickeacute vlastnosti tak vodivostniacute
Z tohoto důvodu bude miacutet napětiacute UP indukovaneacute v přijiacutemaciacute ciacutevce faacutezovyacute posuv oproti
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
14
vysiacutelaneacutemu v intervalu
20π
[2]
Obr 24 Průběhy napětiacute UV ndash vysiacutelaneacute napětiacute UPF ndash ideaacutelniacute přijiacutemaneacute napětiacute (feromagnetickyacute materiaacutel) UPN ndash ideaacutelniacute přijiacutemaneacute napětiacute (neferomagnetickyacute materiaacutel) UP ndash skutečneacute přijiacutemaneacute napětiacute [2]
Existujiacute různeacute možnosti dociacuteleniacute nuloveacuteho klidoveacuteho přenosu mezi ciacutevkami Zaprveacute
prostorovyacutem odděleniacutem kdy osy ciacutevek mezi sebou sviacuterajiacute uacutehel 90deg vysiacutelaciacute ciacutevka je uložena
svisle a přijiacutemaciacute ciacutevka vodorovně obr 25 Tyto detektory byly nazyacutevaacuteny bdquoTwo boxldquo [2]
Obr 25 Princip prostoroveacuteho uspořaacutedaacuteniacute 90deg ciacutevek [2]
V druheacutem přiacutepadě jsou obě ciacutevky uloženy vodorovně ale jejich prostoroveacute uspořaacutedaacuteniacute se voliacute
takoveacute aby byla vzaacutejemnaacute indukčnost nulovaacute Toho je dociacuteleno tiacutem že přijiacutemaciacute ciacutevkou
U (V)
t (s)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
15
prochaacuteziacute stejneacute množstviacute siločar vysiacutelaciacute ciacutevky v jednom i druheacutem směru a tiacutem dochaacuteziacute ke
kompenzaci (vyrušeniacute) jejich uacutečinku obr 26
Obr 26 Princip prostoroveacuteho uspořaacutedaacuteniacute překryacutevajiacuteciacutech se ciacutevek [2]
Společnosti vyraacutebějiacuteciacute průmysloveacute detektory kovů majiacute většinou sveacute specifickeacute uspořaacutedaacuteniacute
ciacutevek
Obr 27 Viacutece ciacutevkoveacute uspořaacutedaacuteniacute detektoru společnosti Ad controls sro a jeho skutečneacute provedeniacute [4]
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
16
Obr 28 Třiacute ciacutevkoveacute uspořaacutedaacuteniacute detektoru společnosti Loma Systems sro
Kvalita detektoru je daacutena předevšiacutem ciacutevkovou soustavou a neměnnostiacute jejiacutech vlastnostiacute a daacutele
volbou pracovniacuteho kmitočtu Špičkou mezi dnešniacutemi detektory jsou zařiacutezeniacute umožňujiacuteciacute
činnost při různyacutech budiacuteciacutech kmitočtech Vyacutehodou těchto systeacutemů je možnost použiacutevat viacutece
zařiacutezeniacute bliacutezko u sebe a hlavně možnost použitiacute různyacutech frekvenciacute pro rozdiacutelneacute produkty s
ohledem na citlivost a kvalitu detekce
3 Zařiacutezeniacute spole čnosti Loma Systems sro Podmiacutenkou k dalšiacute vyacutevojoveacute činnosti je podrobnaacute znalost vyraacuteběnyacutech zařiacutezeniacute a
vyacuterobniacutech technologiiacute v daneacutem podniku
Obr 31 Detektor kovů IQ3 s dotykovyacutem ovlaacutedaacuteniacutem společnosti Loma Systems sro [1]
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
17
31 Obecneacute informace Jsou vyraacuteběny dva typy detektorů ktereacute pracujiacute na stejneacutem principu ale lišiacute se
vysiacutelaciacutemi průběhy budiacuteciacuteho napětiacute a možnostiacute pracovat na různyacutech kmitočtech
Staršiacute model označenyacute jako IQ2 je vyraacuteběnyacute ve třech variantaacutech jako farmaceutickyacute
detektor detektor s volnyacutem propadem produktu nebo detektor s produktem dopravovanyacutem
potrubiacutem Posledniacute dva jmenovaneacute jsou takeacute vyraacuteběny na zaacutekladě technologie IQ3 Tento
systeacutem umožňuje činnost detektoru na různyacutech budiacuteciacutech kmitočtech a je použit hlavně u
dopravniacutekovyacutech detektorů Detektor IQ2 pracuje na neměnneacute frekvenci 1 MHz
Dopravniacutekoveacute detektory jsou vyraacuteběny ve dvou variantaacutech normaacutelniacute (detekčniacute otvor
maacute stěny opatřeneacute vrstvou modreacuteho epoxidu) a detektory pro extreacutemně nepřiacutezniveacute podmiacutenky
(stěny detekčniacuteho otvoru jsou pokryty odolnyacutem plastem) ktereacute odolaacutevajiacute i vysokotlakeacutemu
vodniacutemu čištěniacute Obě varianty jsou vhodneacute i pro použitiacute v potravinaacuteřskeacutem průmyslu
Všechny detektory jsou schopny pracovat při siacuteťoveacutem napětiacute 110115200220230 V
50 nebo 60 Hz 1f 380400 V 5060 Hz 3f a majiacute stupeň krytiacute IP 69K což umožňuje uacutedržbu
vysokotlakyacutemi vodniacutemi čističi Ovlaacutedaacuteniacute a komunikace s detektorem je zajištěna LCD
displejem s tlačiacutetky nebo displejem dotykovyacutem Každyacute detektor je vybaven releacuteovyacutemi
vyacutestupy jimiž je možno ovlaacutedat chod dopravniacuteku vyřazovaciacute systeacutem signalizačniacute lampy či
klakson
Detektor jako takovyacute se sklaacutedaacute z jedneacute čaacutesti kde je jak samotnyacute detekčniacute otvor tak i
veškeraacute elektronika Detekčniacute otvor tvořiacute jaacutedro z tvrzeneacuteho papiacuteru (Tufnol) do ktereacuteho jsou
vlepeny vodiče ciacutevek Stěny detekčniacuteho otvoru jsou opatřeny modryacutem epoxidem nebo biacutelyacutem
polyethylenem (Acetal) kteryacute maacute většiacute mechanickou odolnost Celeacute zařiacutezeniacute je uzavřeno v
obalu z nerezoveacute oceli ANSI 304 (DIN 14301) tloušťky 3 mm Prostor mezi jaacutedrem a
nerezovyacutem obalem je vyplňovaacuten pěnivyacutem epoxidem
Elektronika detektoru obsahuje tři desky plošnyacutech spojů a ovlaacutedaciacute displej Hlavniacute
čaacutestiacute je řiacutediacuteciacute deska (Control board) na ktereacute se nachaacuteziacute blok napaacutejeciacuteho zdroje
vyhodnocovaciacute obvody paměti AD převodniacuteky signaacutelu a vstupniacutevyacutestupniacute obvody Dalšiacutemi
čaacutestmi jsou vysiacutelaciacute deska (Transmitter board) a deska přijiacutemače (Receiver board)
32 Vysiacutelaciacute čaacutest - Tx Postupneacute upouštěniacute od vyacuteroby zastaraleacute verze detektorů IQ2 je důvodem pro zaměřeniacute
teacuteto praacutece na detektory IQ3 Systeacutem IQ3 je multifrekvenčniacute založenyacute na balančniacutem principu
Oproti standardniacutem balančniacutem detektorům je zde vysiacutelaciacute ciacutevka buzena nespojityacutem signaacutelem
Vyacutehodou použitiacute tohoto signaacutelu je snadnaacute změna frekvence možnost řiacutezeniacute vysiacutelaciacuteho vyacutekonu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
18
a celkoveacute zvyacutešeniacute kvality detekce neboť rychlyacutem změnaacutem budiacuteciacuteho proudu odpoviacutedaacute velkaacute
změna magnetickeacuteho indukčniacuteho toku Dle Faradayova indukčniacuteho zaacutekona je velikost
indukovaneacuteho napětiacute daacutena rychlostiacute změny magnetickeacuteho indukčniacuteho toku (31)
tU i ∆
∆Φminus= (31)
Činnost Tx boardu (vysiacutelaciacute desky) je řiacutezena mikrokontrolerem kteryacute komunikuje s
Control boardem seacuteriovyacutem rozhraniacutem Deska umožňuje kontrolu napaacutejeniacute vysiacutelaciacuteho proudu
teploty a přiacutepadneacute přerušeniacute Tx vinutiacute (vysiacutelaciacute ciacutevky) Mikrokontroler řiacutediacute jak vysiacutelaciacute
průběh tak vyhodnocovaciacute obvody ktereacute jsou na Rx boardu (přijiacutemaciacute deska)
Na Tx board jsou přivaacuteděna napětiacute 12 V -12 V proti zemi použiacutevanaacute k buzeniacute Tx
vinutiacute Z kladneacuteho napětiacute se daacutele ziacuteskaacutevaacute napětiacute 33 V a 18 V pro napaacutejeniacute ostatniacutech obvodů
Budiacuteciacute signaacutel je kvůli požadovaneacutemu vysokeacutemu pulsniacutemu vyacutekonu odebiacuteraacuten z kondenzaacutetoroveacute
baterie Velikost odebiacuteraneacuteho proudu je měřena operačniacutem zesilovačem zapojenyacutem jako
převodniacutek IU
Vyacutekonovaacute čaacutest Tx boardu je tvořena čtyřmi MOSFET tranzistory řiacutezenyacutemi
mikrokontrolerem Vyacutekonoveacute tranzistory T1 až T4 jsou zapojeny dle obr 32
Obr 32 Zapojeniacute koncoveacute čaacutesti vysiacutelače
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
19
Vysiacutelaciacute ciacutevka je tvořena pouze jedniacutem zaacutevitem Cu draacutetu ϕ 1 mm jeho indukčnost a kapacita
je vzhledem k jeho vodivosti zanedbatelnaacute a při nižšiacutech frekvenciacutech se tedy chovaacute jako zkrat
Pokud je časovyacute posuv mezi U1 a U2 roven nule pak napětiacute UTX je takeacute rovno nule a Tx
ciacutevkou neteče žaacutednyacute proud obr 33
-12
-8
-4
0
4
8
12
16U1 (V)
-16
-12
-8
-4
0
4
8
12
16
000E+00 100E-05 200E-05 300E-05 400E-05 500E-05 600E-05
čas (s)
U2 (V)
Obr 331 Průběhy signaacutelů U1 a U2 přivaacuteděnyacutech na vyacutevody Tx vinutiacute V detektoru by se dala naměřit pouze elektrickaacute složka pole odpoviacutedajiacuteciacute původniacutemu signaacutelu
Pro detekci kovu je však důležiteacute elektromagnetickeacute pole kteraacute vznikaacute průchodem proudu
vinutiacutem Proudoveacuteho impulsu je dosaženo časovyacutem posunem mezi napětiacutemi U1 a U2
přivaacuteděnyacutemi na svorky Tx vinutiacute V tomto přiacutepadě potečou zkratoveacute proudoveacute pulsy
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
20
odpoviacutedajiacuteciacute připojeneacutemu napětiacute UTX viz obr 34 Vyacutekon detektoru je tedy řiacutezen časovyacutem
posunem mezi průběhy napětiacute U1 a U2 Tomuto časoveacutemu posuvu pak odpoviacutedaacute i velikost
odebiacuteraneacuteho proudu do Tx vinutiacute
-12
-8
-4
0
4
8
12
16U1 (V)
-12
-8
-4
0
4
8
12
16U2 (V)
000E+00 100E-05 200E-05 300E-05 400E-05 500E-05 600E-05
Čas (s)
I (A)
Obr 34 Časově posunutaacute napětiacute U1 U2 přivaacuteděnaacute na vyacutevody Tx vinutiacute a průběh proudu I v Tx vinutiacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
21
33 Přijiacutemaciacute čaacutest - Rx Zaacutekladem přijiacutemaciacute čaacutesti je soustava složenaacute ze dvou paralelně spojenyacutech Rx ciacutevek
podle obr 35 každaacute se dvěma zaacutevity U tohoto uspořaacutedaacuteniacute hraje důležitou roli smysl vinutiacute
Rx ciacutevek (označeniacute počaacutetku a konce vinutiacute) a jejich přesnaacute poloha Tx musiacute prochaacutezet přesně
v jedneacute polovině vzdaacutelenosti l
Obr 35 Geometrickeacute uspořaacutedaacuteniacute je voleno tak že pokud neprochaacuteziacute detektorem kontaminant napětiacute
indukovaneacute napaacutejenou ciacutevkou Tx do Rx ciacutevek je minimaacutelniacute
Jak bylo řečeno v kapitole 32 pro detekci kovu je podstatneacute elektromagnetickeacute pole
Elektrickeacute pole je odstraněno na primaacuterniacutem vinutiacute vstupniacuteho transformaacutetoru TR s dvojityacutem
primaacuterniacutem vinutiacutem zapojenyacutem proti sobě v poměru k sekundaacuterniacutemu vinutiacute 1+130 umiacutestěnyacutem
na Rx boardu Na obraacutezku 36 je zapojeniacute vstupniacuteho obvodu Rx boardu Elektrickaacute složka
pole maacute vůči zemi na obou vyacutevodech Rx ciacutevek stejnyacute průběh Primaacuterniacute vinutiacute TR maacute
vyvedenyacute střed na zem čiacutemž se elektrickaacute složka pole uzemniacute (teče proud) Protože jsou
Rx1 ciacutevka
Rx2 ciacutevka
Tx ciacutevka
l
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
22
průběhy na obou vyacutevodech stejneacute magnetickeacute toky v TR vyvolaneacute proudem působiacute proti sobě
a na sekundaacuterniacute vinutiacute se neindukuje žaacutedneacute napětiacute Dojde-li k narušeniacute magnetickeacuteho pole
uvnitř detekčniacuteho prostoru vznikaacute rozdiacutel naindukovaneacuteho napětiacute v leveacutem a praveacutem vodiči Rx
ciacutevky Tento rozdiacutel napětiacute maacute za naacutesledek tok proudu kteryacute se uzaviacuteraacute přes primaacuterniacute vinutiacute
TR1 a indukuje napětiacute na sekundaacuterniacute straně Toto napětiacute je daacutele zpracovaacutevaacuteno
Obr 36 Vstupniacute obvod Rx boardu
34 Princip vyhodnocovaacuteniacute Signaacutel na sekundaacuterniacutem vinutiacute transformaacutetoru TR je zpracovaacutevaacuten blokem obvodů pro
uacutepravu signaacutelu Ten obsahuje aktivniacute filtr a integračniacute člen s niacutezko-šumovyacutem operačniacutem
zesilovačem Za integračniacutem členem je měřiciacute bod kteryacute je využit při oživovaacuteniacute detektorů
Napětiacute Ub (balance signal) v tomto bodě se zobrazuje na osciloskopu a jeho maximaacutelniacute
hodnota by neměla přesaacutehnout 6 V špička - špička Čiacutem je rozkmit toho napětiacute nižšiacute tiacutem lze
dosaacutehnout vyššiacute citlivosti detektoru (kap 35 Vyvažovaacuteniacute detektoru) Nuloveacuteho rozkmitu
nelze dosaacutehnout mimo jineacute kvůli vyacuterobniacutem toleranciacutem zařiacutezeniacute a nehomogenitaacutem Citlivost
elektronickyacutech čaacutestiacute je velmi vysokaacute a uplatňujiacute se rušiveacute vlivy při jejich činnosti (vliv
teploty mechanickeacute chvěniacute) Napětiacute Ub odpoviacutedaacute vyrovnaacutevaciacutemu proudu v Rx ciacutevkaacutech
Přiacuteklad jeho průběhu bez kontaminantu je na obr 37
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
23
Obr 37 Přiacuteklad průběhu napětiacute Ub
Napětiacute Ub je přivaacuteděno na dva samostatneacute elektronickeacute obvody (řiacutezeneacute usměrňovače)
ovlaacutedaneacute řiacutediacuteciacutemi napětiacutemi z mikrokontroleru (na Tx boardu) Dvě řiacutediacuteciacute napětiacute jednoho
usměrňovače jsou vůči sobě o π posunuty a zaacuteroveň jsou posunuty o π2 proti dvěma řiacutediacuteciacutem
napětiacutem druheacuteho usměrňovače Vyacutesledkem jsou dva napěťoveacute signaacutely (P a Q) ktereacute jsou daacutele
zpracovaacutevaacuteny (integrace zesiacuteleniacute) s možnostiacute ručniacute volby zesiacuteleniacute ve čtyřech stupniacutech
(ovlaacutedaacuteniacute citlivosti detektoru) Tyto signaacutely jsou již nositelem informace a jsou na Control
boardu převedeny do digitaacutelniacute podoby Takto upraveneacute signaacutely jsou vyhodnocovaacuteny
algoritmy v hlavniacutem mikrokontroleru
35 Vyvažovaacuteniacute detektoru Zaacutekladem kvalitniacute a stabilniacute detekce je ciacutevkovyacute systeacutem Aby se dosaacutehlo co nejlepšiacuteho
vyvaacuteženiacute ciacutevek je nutnaacute přesnaacute bytelnaacute a rozměrově staacutelaacute konstrukce Detektory společnosti
Loma Systems sro majiacute ciacutevky uloženeacute ve vyfreacutezovanyacutech draacutežkaacutech a zajištěneacute epoxidovyacutem
lepidlem I přes to je detektor po osazeniacute elektronikou značně nevyvaacuteženyacute balančniacute napětiacute Ub
překračuje požadovanou hodnotu 6 V špička - špička natolik že může dojiacutet i k saturaci
elektronickyacutech obvodů Je tedy nutneacute ciacutevkovyacute systeacutem vyvaacutežit (vybalancovat)
Nejprve se provede hrubeacute laděniacute spočiacutevajiacuteciacute v tvarovaacuteniacute maleacute smyčky Tx vinutiacute v čele
detektoru obr 38
0 T2 T
25 V Ub
-25 V
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
24
Obr 38 Vyvažovaciacute očko na Tx vinutiacute a vlepenyacute pliacutešek uvnitř detekčniacuteho otvoru
Tato smyčka plniacute funkci kompenzačniacuteho vinutiacute po natvarovaacuteniacute je očko zaliteacute epoxidovyacutem
lepidlem U detektorů s vnitřniacute uacutepravou detekčniacuteho otvoru modryacutem epoxidem se do
detekčniacuteho otvoru daacutele vlepujiacute vyvažovaciacute pliacutešky různyacutech tvarů a velikostiacute (od 1 cm2 do 4
cm2) obr 38 ktereacute se naacutesledně zalijiacute do roviny modryacutem epoxidem Jako materiaacutel
vyvažovaciacutech pliacutešků je použita nerezovaacute ocel ANSI 304 (DIN 14301) tloušťky 2 mm Druhyacute
typ detektorů s odolnyacutem plastovyacutem povrchem (typ US) neumožňuje vlepovaacuteniacute pliacutešků
dovnitř detekčniacuteho otvoru Balancovaacuteniacute se tedy provaacutediacute přesnějšiacutem tvarovaacuteniacutem Tx očka
popřiacutepadě vlepovaacuteniacutem pliacutešků v jeho okoliacute
Pro jemneacute doladěniacute se u obou těchto variant (US typ a klasickyacute s modrou epoxidovou
vyacuteplniacute detekčniacuteho otvoru) osazujiacute balančniacute moduly obr 39 ktereacute na plastoveacutem otočneacutem diacutelu
majiacute tuning block o rozměrech cca 05 cm2 z 5 mm tlusteacuteho nerezu Oba balančniacute moduly
umožňujiacute pohyb tuning blocku v okoliacute vyvažovaciacuteho očka
Obr 39 Balančniacute moduly i s kryciacutemi plechy vlevo US vpravo klasickyacute
Tyto moduly nejsou přiacuteliš efektivniacute a sloužiacute pouze k miacuterneacutemu vyvaacuteženiacute Použiacutevajiacute se dva typy
Tuning block
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
25
těchto modulů podle varianty vnitřniacute vyacuteplně detektoru (US typ a klasickyacute s modrou
epoxidovou vyacuteplniacute detekčniacuteho otvoru) Jedniacutem z přijatyacutech naacutevrhů pro vylepšeniacute detektorů s
modrou epoxidovou vyacuteplniacute je použitiacute stejneacuteho balančniacuteho modulu jako u detektoru typu US
Vyacuterobniacute cena US balančniacuteho modulu je podstatně nižšiacute a umožňuje změnu polohy
vyvažovaciacuteho diacutelu nejen po obvodu kružnice ale i změnu vzdaacutelenosti mezi rovinami očka a
tuning bloku Změna teacuteto vzdaacutelenosti se využije v přiacutepadě kdy po osazeniacute detektoru s modrou
epoxidovou pryskyřiciacute balančniacutem modulem dojde ke zhoršeniacute vyvaacuteženiacute ktereacute pouhyacutem
natočeniacutem po kružnici nelze vykompenzovat Použiacutevaacuteniacutem pouze balančniacuteho modulu typu
US by se dosaacutehlo sniacuteženiacute počtu součaacutestek ve vyacuterobniacutem procesu sniacuteženiacute naacutekladů na vyacuterobu
detektoru s modrou epoxidovou vyacuteplniacute detekčniacuteho prostoru a odstranil by se i probleacutem
vznikajiacuteciacute při osazeniacute těchto detektorů balančniacutemi moduly
Dalšiacute naacutevrh se tyacutekal materiaacutelu použiteacuteho na tuning block Snahou bylo zvyacutešit vliv
tuning bloku natolik aby bylo možneacute vynechat kompenzačniacute očko čiacutemž by došlo k urychleniacute
laděniacute Byly testovaacuteny materiaacutely FeNi47ln5 tloušťky 03 mm a FeNi42 tloušťky 04 mm Byl
zvolen tvar kteryacute umožňoval použitiacute staacutevajiacuteciacutech US modulů obr 310 Vliv tuning blocků
se sice zvyacutešil nicmeacuteně ne natolik aby mohlo byacutet vyvažovaciacute očko zcela vynechaacuteno
Obr 310 Prototypy tuning blocků z novyacutech materiaacutelů
36 Vyacutestupniacute kontrola Před samotnou expediciacute detektoru je nutneacute proveacutest kontrolu detekce Kvalita detekce
je ověřovaacutena třemi typy kontaminantů neželeznyacute - NONFE (mosaz) železnyacute - FE (chromovaacute
ocel) a nerezovyacute - SS (ANSI 304) K tomu jsou určeny přiacutepravky na obr 311 a 312 Jednaacute
se o kuličky definovanyacutech průměrů ktereacute jsou zaliteacute v plastovyacutech tyčinkaacutech opatřenyacutech
rozměrovou specifikaciacute kontaminantu Barva tyček odlišuje použityacute typ kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
26
Obr 311 Testovaciacute vzorky pro dopravniacutekoveacute detektory
Obr 312 Testovaciacute vzorky pro farmaceutickeacute detektory
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
27
4 Optimalizace a stiacuten ěniacute detektoru Jedniacutem z bodů teacuteto praacutece je navrženiacute optimalizaciacute průmysloveacuteho detektoru kovu z
hlediska kvality detekce a vyšetřeniacute elektromagnetickeacuteho pole s ohledem na rušiveacute vlivy Z
počaacutetku byly provaacuteděny pokusy se stiacuteněniacutem ciacutevek s ohledem na rušeniacute vnějšiacutem
elektromagnetickyacutem polem Prvniacute uacutevahy vedly k použitiacute stiacuteniacuteciacuteho materiaacutelu s velkou
permeabilitou kteryacute by do sebe soustředil většiacute množstviacute indukčniacutech čar unikajiacuteciacutech do okoliacute
a tiacutem omezil vnějšiacute rušeniacute Na zaacutekladě teacuteto uacutevahy byly testovaacuteny dva materiaacutely FeNi47ln5
tloušťky 03 mm a FeNi42 tloušťky 04 mm ktereacute mohou dosahovat relativniacute permeability až
micror_12106 [5] Těmito pokusy se sice sniacutežilo množstviacute indukčniacutech čar magnetickeacuteho pole
unikajiacuteciacuteho z detektoru ale vlivem přiacuteliš velkeacute permeability bylo ovlivněno i pole uvnitř
detekčniacuteho prostoru kde došlo ke sniacuteženiacute citlivosti Tento naacutevrh měl dalšiacute negativniacute faktory
jako je vysokaacute cena použityacutech materiaacutelů a omezeneacute vyacuterobniacute možnosti nedostačujiacuteciacute šiacuteřkou
paacutesů což by vedlo ke sklaacutedaacuteniacute plechů vedle sebe a tiacutem ke vzniku nehomogenit
Aby byly optimalizace efektivniacute je třeba znaacutet rozloženiacute elektromagnetickeacuteho pole
uvnitř detektoru a vlivy ktereacute na něj působiacute Proto bylo přistoupeno k využitiacute počiacutetačoveacuteho
softwaru Ansys Jednaacute se o profesionaacutelniacute software založenyacute na metodě konečnyacutech prvků Je
určen předevšiacutem pro simulace mechanickeacuteho namaacutehaacuteniacute ale umožňuje i řešeniacute teplotniacutech
elektromagnetickyacutech a sdruženyacutech poliacute [6] Ansys byl vybraacuten předevšiacutem pro možnost řešeniacute i
3D probleacutemů V teacuteto praacuteci bylo z důvodů vyacutepočetniacute naacuteročnosti a velkeacuteho množstviacute
jednotlivyacutech vyacutepočtů přistoupeno k řešeniacute probleacutemu pouze ve dvourozměrneacutem prostoru V
tomto přiacutepadě je řešeno nestacionaacuterniacute magnetickeacute pole ktereacute popisuje rovnice (41) [7]
( ) extr JArotdt
dABArotrot =timesminus+
minus γυγmicro1
(41)
kde
BArot = (42)
A magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel
micro permeabilita
Br remanentniacute indukce
B magnetickaacute indukce
γ měrnaacute elektrickaacute vodivost
ν rychlost pohybu tělesa v magnetickeacutem poli
Jext vektor vnějšiacute proudoveacute hustoty
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
28
41 Vyšet řovaacuteniacute vlivu pozice Rx vinutiacute Nejprve byly provedeny simulace staacutevajiacuteciacuteho zařiacutezeniacute o rozměrech detekčniacuteho otvoru
150 mm x 350 mm Zaacutekladniacute geometrie probleacutemu je na obraacutezku 41 Pro řešeniacute zaacutekladniacuteho
probleacutemu by bylo možneacute použiacutet symetrii modelu pokud však model doplniacuteme o kontaminant
možnost teacuteto symetrie odpadaacute Byly provedeny tři seacuterie vyacutepočtů ktereacute se lišily materiaacutelem
kontaminantu Každaacute seacuterie se sklaacutedala z 24 samostatnyacutech vyacutepočtů ve kteryacutech se postupně
měnila pozice kontaminantu tak jako je tomu při skutečneacute situaci na dopravniacutem paacutesu
Použityacutem APDL skriptem by bylo možneacute řešit i průchody kontaminantu v různyacutech vyacuteškaacutech
detekčniacuteho otvoru Pro potřeby těchto vyacutepočtů byl průchod zvolen středem jelikož je zde
citlivost detektoru nejnižšiacute Nutno poukaacutezat na skutečnost že kontaminant reprezentovanyacute
kružniciacute v řezu detektoru nelze považovat za kulovyacute nyacutebrž za vodič kruhoveacuteho průřezu
stejneacute deacutelky jako Tx respektive Rx vinutiacute Rozmeziacute pohybu kontaminantu bylo od -230 mm
do 230 mm vůči Tx vinutiacute s krokem 20 mm Obdeacutelniacuteky v okoliacute Tx vinutiacute byly vytvořeny za
uacutečelem možnosti zjemněniacute vyacutepočetniacute siacutetě v prostoru Tx a Rx vinutiacute Na obraacutezku 41 nejsou
namodelovaacuteny Rx ciacutevky neboť hodnota naindukovaneacuteho napětiacute byla ziacuteskaacutevaacutena v pěti
různyacutech vyacuteškovyacutech poziciacutech a bylo hodnoceno indukovaneacute napětiacute Ui
Obr 41 Zaacutekladniacute geometrie
nerezovyacute kryt
vodiče Tx vinutiacute
kontaminant
obdeacutelniacuteky vzduchoveacuteho okoliacute s jemnějšiacute vyacutepočetniacute siacutetiacute střed souřadneacuteho
systeacutemu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
29
411 Preprocessing - p řiacuteprava skriptu Nejprve bylo nutneacute zjistit geometrickeacute rozměry a materiaacuteloveacute konstanty zkoumaneacuteho
detektoru Geometrickeacute rozměry byly ziacuteskaacuteny z databaacuteze Solidworks modelů společnosti
Loma Systems sro V kapitole 71 je uacuteryvek APDL skriptu pro tvorbu geometrie
Materiaacutely použiteacute v modelu jsou vzduch vodiče Tx vinutiacute nerezovyacute obal detektoru a
materiaacutely kontaminantů V raacutemci zjednodušeniacute modelu nebyly uvažovaacuteny PVC izolace Tx
vinutiacute samotneacute Tufneloveacute jaacutedro a materiaacutel s niacutemž je prostor mezi jaacutedrem a nerezovyacutem
krytem vyplněn neboť tyto materiaacutely vykazujiacute z pohledu šiacuteřeniacute elektromagnetickeacuteho pole
stejneacute vlastnosti jako vzduch Konkreacutetniacute hodnoty materiaacutelovyacutech konstant viz tabulka 41
odpor Tx vinutiacute nebyl uvažovaacuten neboť jeho plochy byly zatiacuteženy definovanou proudovou
hustotou tudiacutež neniacute možneacute uvažovat přiacutepadně naindukovaneacute viacuteřiveacute proudy Daacutele bylo nutneacute
zvolit a spraacutevně nastavit použiteacute elementy modelu
Tab 41 Materiaacuteloveacute vlastnosti
měrnaacute
permeabilita [-] měrnyacute elektrickyacute
odpor [Ωm]
vzduch 1 -
Tx vinutiacute 1 -
nerezovaacute ocel (ANSI 304 DIN 14301)
1008 [10] 72010-7
neželeznyacute kontaminant (mosaz)
1 75010-8
železnyacute kontaminant (chromovaacute ocel)
400 12010-7
nerezovyacute kontaminant (ANSI 304 DIN 14301) 1008 72010-7
Jako elementy daneacuteho modelu byly zvoleny elementy PLANE53 určeneacute pro řešeniacute
magnetickeacuteho pole Jednaacute se o osmi uzloveacute elementy ktereacute mohou miacutet až čtyři stupně
volnosti na uzel Stupně volnosti mohou byacutet magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel (AZ) časově
integrovanyacute elektrickyacute skalaacuterniacute potenciaacutel (VOLT) elektrickyacute proud (CURR) a
elektromotorickaacute siacutela (EMF) [6] Geometrie elementu na obr 42
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
30
Obr 42 Geometrie elementu PLANE53 [6]
Uacuteryvek koacutedu v kapitole 72 obsahuje definovaacuteniacute materiaacutelovyacutech vlastnostiacute definovaacuteniacute
elementů a jejich nastaveniacute V dalšiacute časti bylo nutneacute jednotliveacute materiaacutely a elementy přiřadit
danyacutem plochaacutem
Daacutele bylo zapotřebiacute nastavit atributy pro automatickeacute siacuteťovaacuteniacute oblasti Je nutneacute aby v
tenkyacutech a malyacutech plochaacutech byla vyššiacute hustota siacutetě než na velkyacutech plochaacutech kde postačuje siacuteť
řidšiacute Velmi důležitaacute je kompatibilita siacutetě proto byla v okoliacute Tx vodičů vytvořena
obdeacutelniacutekovaacute oblast s hustšiacute siacutetiacute viz uacuteryvek koacutedu v přiacuteloze 73
Obr 43 Detailniacute pohled na siacuteť elementů
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
31
V posledniacute čaacutesti preprocessingu byla definovaacutena Dirichletova okrajovaacute podmiacutenka
udaacutevajiacuteciacute magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel roven nule na vnějšiacute hrany vzduchoveacuteho okoliacute a
průběh budiacuteciacute proudoveacute hustoty v Tx vodičiacutech V horniacutem a dolniacutem vodiči měly toky opačnyacute
smysl proto bylo nutneacute vytvořit dva vektory hodnot J1 (obr 44) a mJ1 V posledniacute řadě bylo
provedeno přiřazeniacute průběhů k plochaacutem viz kapitola 74
Obr 44 Průběh proudoveacute hustoty v ploše Tx vodiče
Ansys byl do Solution modu přepnut přiacutekazem SOL kde se provedlo nastaveniacute
analyacutezy a byl spuštěn vyacutepočet viz kapitola 76
412 Postprocessing - ziacuteskaacutevaacuteniacute vyacutesledk ů Ciacutelem teacuteto čaacutesti bylo zjištěniacute průběhů naindukovanyacutech napětiacute Ui v zaacutevislosti na čase
pro různeacute vyacuteškoveacute pozice přijiacutemaciacutech ciacutevek Rx Pro indukovaneacute napětiacute platiacute vztah
( )Vndt
dU i sdotΦminus= (43)
kde
( )TdxBlx
x
Yint sdotsdot=Φ2
1
(44)
n počet zaacutevitů Rx vinutiacute
l deacutelka Rx vinutiacute ve směru osy Z
x1 a x2 šiacuteřka Rx vinutiacute ve směru osy X
BY složka magnetickeacute indukce v ose Y
Zadaacuteniacutem souřadnic dvou bodů se nadefinovala uacutesečka (cesta) na kterou byly s určityacutem
J (Am-2)
kroky vyacutepočtu (-)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
32
krokem zaznamenaacuteny hodnoty magnetickeacute indukce BY Průběh BY v zaacutevislosti na souřadnici X
je na obr 45
Obr 45 Průběh magnetickeacute indukce BY v zaacutevislosti na souřadnici X
Obr 46 Průběh magnetickeacuteho toku Φ v zaacutevislosti na souřadnici X
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
33
Integrovaacuteniacutem průběhu BY se ziacuteskal průběh magnetickeacuteho indukčniacuteho toku Φ obr 46
Magnetickyacute indukčniacute tok Φ je roven určiteacutemu integraacutelu (rovnice 44) průběhu BY obr 45 Z
toho vyplyacutevaacute že magnetickyacute indukčniacute tok je roven posledniacute hodnotě průběhu na obr 46
Tato hodnota se vynaacutesobila deacutelkou Rx vinutiacute Postup vyacutepočtu se opakoval pro všechny pozice
Rx vinutiacute a to v každeacutem kroku transientniacute analyacutezy Tiacutem se ziacuteskala zaacutevislost magnetickeacuteho
indukčniacuteho toku Φ na čase t V programu MS Excel se vynaacutesobil tok počtem zaacutevitů Rx vinutiacute
a byla provedena derivace podle času (rovnice 43) Takto byly zpracovaacuteny vyacutesledky pro
všechny pozice kontaminantu vůči Tx vinutiacute APDL skript pro ziacuteskaacutevaacuteniacute hodnot viz kapitola
76 a v kapitole 77 je vyacutepis makra ktereacute uklaacutedaacute hodnoty do souboru
413 Hodnoceniacute vyacutesledk ů Vypočteneacute hodnoty Ui ve všech pěti vyacuteškovyacutech poziciacutech hrx byly vyneseny do grafů v
zaacutevislosti na čase Pokud se vynesou do jednoho grafu průběhy indukovanyacutech napětiacute pro
každou pozici kontaminantu v daneacute vyacutešce lze sledovat odezvu indukovaneacuteho napětiacute na
polohu kontaminantu Jelikož byly provedeny tři seacuterie vyacutepočtů s různyacutemi kontaminanty lze
porovnat i tvary přijiacutemanyacutech signaacutelu pro jednotliveacute materiaacutely Ciacutelem teacuteto čaacutesti je porovnat
signaacutely ziacuteskaacutevaneacute v různyacutech vyacuteškovyacutech polohaacutech Rx vinutiacute a vybrat nejvhodnějšiacute signaacutel pro
detekci
Na naacutesledujiacuteciacutech grafech jsou znaacutezorněny napěťoveacute průběhy během jedneacute periody v
zaacutevislosti na poloze kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
34
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 47 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 48 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
35
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 49 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 410 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
36
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 411 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 5)
Na obraacutezciacutech 47 až 411 jsou zobrazeny průběhy odpoviacutedajiacuteciacute průchodu železneacuteho
kontaminantu s relativniacute permeablitou 400 a měrnyacutem elektrickyacutem odporem 10210-7 Ωm Na
průběziacutech 47 48 a 411 lze pozorovat sice nižšiacute hodnotu signaacutelu ale celkovaacute deformace
během průchodu kontaminantu je většiacute
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 412 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
37
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 413 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 414 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
38
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 415 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 416 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce5)
Na obraacutezciacutech 412 až 416 jsou zobrazeneacute průběhy odpoviacutedajiacuteciacute průchodu kontaminantu z
nerezu ANSI 304 s relativniacute permeablitou 1008 a měrnyacutem elektrickyacutem odporem 7210-7
Ωm Při porovnaacuteniacute s předchoziacutem kontaminantem je změna signaacutelu nižšiacute což odpoviacutedaacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
39
předpokladům o obtiacutežnějšiacute detekci nerezovyacutech kontaminantů
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 417 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 418 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
40
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 419 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 420 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
41
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 421 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 5)
Na obraacutezciacutech 417 až 421 jsou zobrazeny průběhy odpoviacutedajiacuteciacute neželezneacutemu
kontaminantu (mědi) s parametry relativniacute permeablita 1 a měrnyacute elektrickyacute odpor 7510-8
Ωm Průběh signaacutelu je velmi podobnyacute signaacutelům nerezoveacuteho kontaminantu
Porovnaacuteniacutem všech grafů (obr 47 - obr 422) je obecně vidět že u průběhů ve vyacutešce
3 a 4 je zisk signaacutelu pro všechny modelovaneacute kontaminanty největšiacute Dochaacuteziacute zde ale ke
změně amplitudy pouze v jednom smyslu což z hlediska vyhodnocovaciacutech algoritmů zlepšeniacute
detekce vylučuje Naproti tomu je u signaacutelu ve vyacutešce 5 znatelně vyššiacute amplituda než v
použiacutevaneacute vyacutešce 2 Na zaacutekladě tohoto zjištěniacute bude zhotoven prototyp detektoru za uacutečelem
ověřeniacute teoretickyacutech vyacutesledků
Na obraacutezku 422 je ukaacutezka grafickeacuteho vyacutestupu zobrazujiacuteciacuteho vektory proudoveacute
hustoty naindukovaneacute v nerezoveacutem krytu a v kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
42
Obr 422 Vektory proudovyacutech hustot naindukovanyacutech do kontaminantu a nerezoveacuteho krytu
Obraacutezek 423 zobrazuje kontury magnetickeacuteho pole ve stejneacutem časoveacutem kroku jako obr
422 Pole ktereacute je konturami zobrazeno je tvořeno praacutevě proudovou hustotou obr 422 Je
zde možneacute pozorovat jak se pole deformuje přiacutetomnyacutem kontaminantem
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
43
Obr 423 Kontury magnetickeacuteho vektoroveacuteho potenciaacutelu s viditelnou deformaciacute pole způsobenou
feromagnetickyacutem kontaminantem
42 Vyšet řovaacuteniacute množstviacute vyza řovaneacute energie V teacuteto čaacutesti se vychaacutezelo z předpokladu že intenzita elektromagnetickeacuteho pole uvnitř
detektoru je mnohem většiacute než elektromagnetickyacute šum kteryacute do detektoru vnikaacute z okoliacute
Proto lze předpoklaacutedat že rušeniacute bude způsobeno předevšiacutem deformaciacute vlastniacuteho
vyzařovaneacuteho pole v bliacutezkeacutem okoliacute detektoru To vede ke snaze snižovat množstviacute vlastniacuteho
vyzaacuteřeneacuteho pole ven z detektoru aby nemohlo byacutet deformovaacuteno okolniacutemi předměty
421 Řešeniacute probleacutemu Bylo porovnaacuteno pět variant detektorů bez průchodu kontaminantu Každaacute varianta se
řešila jedniacutem vyacutepočtem z čehož plyne malaacute časovaacute naacuteročnost a proto byly probleacutemy řešeny
bez využitiacute symetrie Prvniacute byl staacutevajiacuteciacute detektor o tloušťce kryciacuteho nerezoveacuteho plechu 3 mm
druhyacute byl stejneacute geometrie ale za použitiacute silnějšiacuteho 5 mm tlusteacuteho nerezu Třetiacute typ měl
tloušťku 3 mm ale na horniacute a dolniacute stěně bylo přidaacuteno dalšiacute stiacuteněniacute z nerezu ve tvaru T (obr
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
44
426) Posledniacute dva naacutevrhy měly pravouacutehlyacute tvar krytu celkově menšiacutech rozměrů z nichž jeden
byl jednoduchyacute o tloušťce 3 mm (obr 427) a druhyacute měl shora a zdola dvojiteacute dno z nerezu
tloušťky 3 mm (obr_428) Touto metodou by se dalo porovnaacutevat mnohem většiacute množstviacute
provedeniacute ktereacute by se mohly lišit i použityacutem materiaacutelem Vzduchoveacute okoliacute detektoru bylo
rozděleno na čtyři sektory v nichž se sečetly hodnoty magnetickeacute energie jednotlivyacutech
elementů v každeacutem kroku analyacutezy a tiacutem se ziacuteskal průběh množstviacute energie v daneacutem prostoru
na čase Objemovaacute hustota magnetickeacute energie byla zjišťovaacutena ve všech plochaacutech daneacute
geometrie a bylo možno sledovat jak se energie v čase přemisťuje
Obr 424 Geometrie varianty 3 mm
Obr 425 Geometrie varianty 5 mm
Obr 426 Geometrie varianty 3 mm-stineni
Obr 427 Geometrie varianty novy 1
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
45
Obr 428 Geometrie varianty novy 2
Přiacuteprava skriptů se od předchoziacutech vyacutepočtů lišila pouze v geometrii jinak byla
principiaacutelně stejnaacute Rozdiacutel byl však v čaacutesti post-processingu (ziacuteskaacutevaacuteniacute vyacutesledků) Aby bylo
možno přistupovat k jednotlivyacutem sektorům musel byacutet každyacute sektor definovaacuten vlastniacutem typem
elementů (elementy byly použity stejneacute jednaacute se pouze o čiacuteslovaacuteniacute) Byly použity osmkraacutet
elementy PLANE53
ET153 Tx vinuti ET253 prostor uvnitr detektoru ET353 nerezovy obal ET453 detekcni prostor ET553 vzduchove okoli - horni ET653 vzduchove okoli - pravy ET753 vzduchove okoli - dolni ET853 vzduchove okoli - levy
Přiacuteklad načiacutetaacuteniacute vyacutesledků pro jeden typ elementů
POST1 prepnutiacute do postprocesoru allsel oznaceni vsech elementu vytvoreni pole pro ukadani hodnot DIMenergie1TABLEkroku11timeE zapsani nulovych hodnot na zacatek vektoru vysledku energie1(00)=0 energie1(01)=0 cyklus ve kterem se nacitaji vysledky jednotlivych kroku simulace doi1kroku1 APPEND 1 i nacteni daneho kroku eseltype1 vybrani elementu typu 1 GET e_count1 ELEM count vraci mnozstvi elementu daneho typu GET e_next ELEM 0 NXTH vraci nejnizsi adresu elementu daneho typu v promenne e_next energ1=0 vynulovani promenne cyklus ktery postupne prochazi vsechy elementy daneho typu doj1e_count11 GET e_energ1 ELEM e_next SENE ulozi do promene e_energ1 mnozstvi energie v elementu s adresou e_next
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
46
GET e_next ELEM e_next NXTH posune adresu elementu o jedna energ1=energ1+e_energ1 pricte mnozstvi energie e_energ1 do kumulativni promnenne energ1 enddo konec vnitrniho cyklu energie1(i0)=i zapise do pole vysledku cislu jirju simulace energie1(i1)=energ1 zapise do pole vysledku mnozstvi energie v cele plose s elementy daneho typu enddo konec vnejsiho cyklu zapis_energ zavolani makra pro zapis vysledku do souboru
422 Hodnoceniacute vyacutesledk ů V jednotlivyacutech sektorech se provedla suma magnetickeacute energie pro každyacute krok
simulace Vyacutesledkem jsou průběhy množstviacute energie v daneacute ploše v zaacutevislosti na krociacutech
simulace (čase) Jednotliveacute varianty byly hodnoceny na zaacutekladě porovnaacuteniacute průběhů se
staacutevajiacuteciacutem detektorem
Energie v Tx vinutiacute
000E+00
100E-03
200E-03
300E-03
400E-03
500E-03
600E-03
700E-03
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 429 Energie v Tx vinutiacute
Na grafu (obr 429) je vidět že množstviacute energie v Tx vinutiacute neniacute zaacutevisleacute na geometrii a je
daacuteno budiacuteciacutem signaacutelem v Tx vinutiacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
47
Energie unit ř detektoru
000E+00
200E-02
400E-02
600E-02
800E-02
100E-01
120E-01
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 430 Energie uvnitř detektoru
Na obr 430 je znaacutezorněno množstviacute energie v prostoru detektoru do ktereacuteho neniacute
započiacutetaacutena detekčniacute oblast ta je zobrazena na obr 432 V teacuteto čaacutesti neniacute pozorovaacutena žaacutednaacute
vyacuteraznaacute změna
Energie v nerezoveacutem obalu
000E+00
500E-05
100E-04
150E-04
200E-04
250E-04
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 431 Energie v nerezoveacutem obalu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
48
Vyacuteraznějšiacute změny se odehraacutevajiacute v nerezoveacutem obalu Nejmenšiacute množstviacute energie je v klasickeacute
3 mm tlusteacute a v 5 mm tlusteacute variantě U klasickeacute varianty se stiacuteněniacutem a u novyacutech naacutevrhů je
naacuterůst způsoben přibliacuteženiacutem nerezu k Tx vinutiacute
Energie v prostoru detek čniacuteho otvoru
000E+00
500E-03
100E-02
150E-02
200E-02
250E-02
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 432 Energie v prostoru detekčniacuteho otvoru
V oblasti detekčniacuteho otvoru je snaha o uchovaacuteniacute co největšiacuteho množstviacute energie neboť
zmenšeniacute energie vede ke sniacuteženiacute odezvy na kontaminant tedy ke sniacuteženiacute citlivosti detektoru
Z obr 432 je patrneacute že geometrickeacute uacutepravy detektoru (3 mm se stiacuteněniacutem novy 1 a novy 2)
vedou ke sniacuteženiacute množstviacute energie v tomto prostoru
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
49
Energie v horniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
100E-07
200E-07
300E-07
400E-07
500E-07
600E-07
700E-07
800E-07
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 433 Energie v horniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Energie v dolniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
100E-07
200E-07
300E-07
400E-07
500E-07
600E-07
700E-07
800E-07
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 434 Energie v dolniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Porovnajiacute-li se obr 433 a 434 je u variant 1 - 3 možneacute pozorovat rozdiacutely mezi horniacute a dolniacute
plochou Je zde na prvniacute pohled vidět jak horniacute oblouk snižuje množstviacute energie unikajiacuteciacute do
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
50
okoliacute Jako uacutečinneacute se z pohledu těchto sektorů jeviacute varianta klasickeacuteho detektoru se stiacuteněniacutem a
novyacute naacutevrh s dvojityacutemi stěnami
Energie v praveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
500E-06
100E-05
150E-05
200E-05
250E-05
300E-05
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 435 Energie v praveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Energie v leveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
500E-06
100E-05
150E-05
200E-05
250E-05
300E-05
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 436 Energie v leveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
51
Pravyacute a levyacute sektor je z důvodů symetrie stejnyacute na obrazciacutech 435 a 436 lze pozorovat tzv
metal free zoacutenu kteraacute se u detektorů udaacutevaacute Jednaacute se o prostor před a za detekčniacutem otvorem
ve ktereacutem se nesmiacute nachaacutezet žaacutednyacute kovovyacute materiaacutel (z důvodu ovlivňovaacuteniacute pole) snahou je
tuto zoacutenu co nejviacutece zmenšit Z grafů je patrneacute že novyacute naacutevrh s dvojityacutemi stěnami vykazuje
nejmenšiacute množstviacute energie v teacuteto oblasti Naopak u klasickeacute varianty se stiacuteněniacutem došlo k
vytlačeniacute pole z vnitřku detektoru praacutevě do těchto okolniacutech zoacuten
Na zaacutekladě těchto poznatků bude provedeno ověřeniacute na skutečnyacutech zařiacutezeniacutech Mezi
použitelneacute varianty připadaacute klasickaacute konstrukce doplněnaacute o stiacuteněniacute a novyacute naacutevrh s dvojityacutemi
stěnami U toho je však velkaacute hrozba sniacuteženiacute citlivosti způsobeneacute menšiacutem množstviacutem energie
v detekčniacutem prostoru
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
52
5 Zaacutevěr Ciacutelem předklaacutedaneacute praacutece je zlepšeniacute činnosti detektorů kovů přiacutepadně uacuteprava
technologie vyacuteroby při současneacutem sniacuteženiacute vyacuterobniacutech naacutekladů Předpokladem uacutespěšnyacutech
naacutevrhů byla podrobnaacute studie činnosti a principu těchto zařiacutezeniacute kteraacute jsou vyacuterobcem po
několik let uacutespěšně prodaacutevaacutena na světovyacutech trziacutech
Na zaacutekladě těchto požadavků byly provedeny některeacute testy ktereacute měly ověřit
předpoklaacutedanaacute zlepšeniacute Nejširšiacute možnosti přinaacutešiacute modelovaacuteniacute magnetickeacuteho pole
průmyslovyacutech detektorů počiacutetačovou simulaciacute kteraacute je zatiacutem schopna řešit zadaneacute probleacutemy
v dvourozměrneacutem prostoru Nejčastěji řešeneacute probleacutemy jsou staacutele spojeny se zaacutekladniacutem
principem činnosti těchto zařiacutezeniacute tj vlivem a působeniacutem kontaminantu na
elektromagnetickeacute pole buzeneacute ciacutevkami uvnitř detektoru a nepřiacuteznivyacute vliv vnějšiacutech rušivyacutech
poliacute např při současneacute činnosti sousedniacutech detektorů Dalšiacutem zdrojem rušivyacutech magnetickyacutech
poliacute může byacutet i činnost a přiacutetomnost různyacutech elektrickyacutech zařiacutezeniacute probleacutem spojenyacute s
vhodnyacutem materiaacutelem a tvarem stiacuteněniacute těchto zařiacutezeniacute
Vzhledem k maximaacutelniacute citlivosti elektronickyacutech obvodů a požadovaneacute pečlivosti při
balancovaacuteniacute (vyvažovaacuteniacute) se vyskytuje probleacutem kteryacute souvisiacute se staacutelostiacute nastaveniacute detektoru
při mechanickeacutem otřesu přiacutepadně odstraněniacute změn ke kteryacutem dochaacuteziacute vlivem dopravy
Dalšiacutem plaacutenovanyacutem krokem je namodelovaacuteniacute probleacutemu v trojrozměrneacutem prostoru od
ktereacuteho je očekaacutevaacuteno zohledněniacute dalšiacutech vlivů a tiacutem zpřesněniacute samotneacuteho vyacutesledku
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
53
6 Použitaacute literatura [1] Internetoveacute straacutenky společnosti Loma Systems sro
httpwwwlomacom_czindexshtml
[2] Haacutejek J Jarchovskyacute Z Detektory kovů - naacutevod na stavbu nakladatelstviacute BEN Praha
2010
[3] Beneda L Detektory kovů bakalaacuteřskaacute praacutece ZČU Plzeň 2010
[4] Internetoveacute straacutenky společnosti Ad controls sro
httpwwwadcontrolsczdetektory_kovu_zakladni_pojmy
[5] KOVOHUTĚ ROKYCANY as COMTES FHT as MATEX sro Průběžnaacute
zpraacuteva k projektu FeNi - čj 1021207 - 32 za rok (2007 - 2009)
[6] Ansys Inc ANSYS HELP Release 130 Dokumentace k programu
[7] Karban P a kolektiv autorů Aplikace teoretickeacute elektrotechniky Skripta ZČU Plzeň
2011
[8] Benešovaacute Z Ulrych B Přiacuteručka pro použitiacute programů ve vyacuteuce teorie
elektromagnetickeacuteho pole Skripta ZČU Plzeň 1997
[9] Loma Systems sro Knowledge Base - Interniacute dokumentace společnosti
[10] Internetoveacute straacutenky společnosti Aerospace specification metals Inc
httpasmmatwebcomsearchSpecificMaterialaspbassnum=MQ304A
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
1
7 Přiacutelohy
71 Tvorba geometrie PREP7 prepnuti do rezimu preprocesingu jj=8 index polohy kontaminantu r1=05e-3 polomer Tx vodice 05 mm r2=15e-3 polomer kontaminantu 15 mm c=90e-3 sirka Rx civek h=1767e-3 vzdalenost mezi Tx vinutim hrx=(h2)+526e-3 zakladni vyskova poloha mezi Rx civkami hss=175e-3 vyska nerezoveho krytu wss=150e-3 sirka nerezoveho krytu tss=3e-3 tloustka nerezove steny hd=h-227e-3 vyska detekcniho otvoru wok=1000e-3 sirka vzduchoveho okoli hok=1000e-3 vyska vzduchoveho okoli wkon=(-250e-3)+(jj20e-3) poloha kontaminantu na ose X tvorba geometrickych bodu nerezoveho krytu K1022589e-30 K2022185e-30 K3-7907e-321208e-30 K4-78e-32085e-30 K57907e-321208e-30 K678e-32085e-30 K7-wsshss0 K8-wss+tsshss-tss0 K9wsshss0 K10wss-tsshss-tss0 K11-wss-hss0 K12-wss+tss-hss+tss0 K13wss-hss0 K14wss-tss-hss+tss0 vytvoreni ploch definovanymi body FLST273 FITEM27 FITEM23 FITEM21 FITEM25 FITEM29 FITEM213 FITEM211 AP51X FLST273 FITEM28 FITEM24 FITEM22 FITEM26 FITEM210 FITEM214 FITEM212 AP51X CYL40h2r1 plocha horniho Tx vodice CYL40-h2r1 ploch dolniho Tx vodice BLC50((h2)+hrx)2100e-310e-3 plocha horniho vzduchoveho okoli Tx vodice BLC50-((h2)+hrx)2100e-310e-3 plocha dolniho vzduchoveho okoli Tx vodice BLC5002wsshd plocha detekcniho ootvoru APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch odstraneni ploch ktere budou sjednoceny se vzduchovym okolim
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
2
FLST255ORDE4 FITEM210 FITEM2-12 FITEM215 FITEM218 ADELEP51X BLC500wokhok vytvoreni plochy vzduchoveho okoli APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch CYL4wkon0r2 vytvoreni plochy kontaminantu APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch konec tvorby geometrickeho modelu
72 Definice element ů materiaacutel ů a jejich p řiřazeniacute k plochaacutem definovani materialu MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX11 material 1 Tx permeabilita 1 MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX21 material 2 Air permeabilita 1 MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX31008 material 3 nerezovy kryt SS ANSI 304 permeabilita MPTEMP MPTEMP10 MPDATARSVX372e-7 material 3 nerezoovy kryt SS Ansi 304 rezistivita MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX4400 material 4 Kontaminant permeabilita MPTEMP MPTEMP10 MPDATARSVX4102e-7 material 4 Kontaminant rezistivita definovani elementu ET153 Tx civky ET253 Vzduch ET353 nerezovy kryt ET453 kontaminant nastaveni elementu KEYOPT110 Tx civky KEYOPT120 KEYOPT130 KEYOPT140 KEYOPT150 KEYOPT170 KEYOPT210 Air KEYOPT220 KEYOPT230 KEYOPT240 KEYOPT250 KEYOPT270 KEYOPT310 SS KEYOPT320 KEYOPT330 KEYOPT340 KEYOPT350
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
3
KEYOPT370 KEYOPT410 kontaminant KEYOPT420 KEYOPT430 KEYOPT440 KEYOPT450 KEYOPT470 prirazeni elementu a materialum k plocham FLST525ORDE2 Tx FITEM58 FITEM5-9 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 1 1 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 FLST535ORDE3 Air FITEM53 FITEM516 FITEM5-17 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 2 2 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 FLST525ORDE2 SS FITEM513 FITEM5-14 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 3 3 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 CM_YAREA kontaminant ASEL 1 CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 4 4 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
4
73 Siacuteťovaacuteniacute oblastiacute FLST275ORDE7 FITEM21 FITEM28 FITEM2-9 FITEM213 FITEM2-14 FITEM216 FITEM2-17 AESIZEP51X00005 nastaveni delky steny elementu 00005 m FLST215ORDE1 FITEM23 AESIZEP51X001 nastaveni delky steny elementu 001 m MSHAPE12D nastaveni 2D trojuhelnikove site MSHKEY0 FLST585ORDE8 FITEM51 FITEM53 FITEM58 FITEM5-9 FITEM513 FITEM5-14 FITEM516 FITEM5-17 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CHKMSHAREA CMSELS_Y AMESH_Y1 spusteni automatickeho sitovani CMDELE_Y CMDELE_Y1 CMDELE_Y2
74 Okrajovaacute podmiacutenka a nastaveniacute budiciacuteho pr ůběhu okrajova podminka FLST244ORDE4 FITEM214 FITEM212 FITEM27 FITEM25 DLP51X AZ0 nastaveni zatizeni parametry budici proudove hustoty f=35e3 frekvence signalu [Hz] part=600 pocet kroku signalu T_min=0 pocatek casove osy T_max=1f konec casove osy dt=T_maxpart casovy krok parametry prudove hustoty pi=4atan(1) s=pir12 I=600sqrt(2) N1=1 J1_a=IN1s definovani vzestupne casti pulsu tau=3 DIMJexTABLE5011timeJ Jex(11)=0
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
5
Jex(10)=0 doi2501 Jex(i1)=(J1_a)(1-exp(-itau)) Jex(i0)=(i) enddo definovani sestupne casti pulsu tau=3 DIMJex1TABLE5011timeJ Jex1(11)=J1_a Jex1(10)=0 doi2501 Jex1(i1)=(J1_a)(exp(-itau)) Jex1(i0)=(i) enddo sestaveni celeho pulsu DIMJex2TABLE10011timeJ Jex2(11)=0 Jex2(10)=0 doi2501 Jex2(i1)=Jex(i1) Jex2(i0)=(i) enddo doi511001 Jex2(i1)=Jex1(i-501) Jex2(i0)=(i) enddo priprava nulovych vektoru kladneho a zaporneho prubehu J DIMJ1TABLE60011timeJ DIMmJ1TABLE60011timeJ doi16001 J1(i0)=(i-1)dt time J1(i1)=0 J mJ1(i0)=(i-1)dt time mJ1(i1)=0 -J enddo vlozeni prvniho pulsu doi11001 J1(i1)=Jex2(i1) mJ1(i1)=-Jex2(i1) enddo vlozeni druheho pulsu doi3004001 J1(i1)=-Jex2(i-3001) mJ1(i1)=Jex2(i-3001) enddo prirazeni prubehu k plocham PREP7 FLST215ORDE1 FITEM28 BFAP51XJSJ1 FLST215ORDE1 FITEM29 BFAP51XJSmJ1
75 Nastaveniacute analyacutezy SOL prepnuti do Solution modu - nastaveni analyzy kroku=300 pocet kroku simulace ANTYPE4 TRNOPTFULL
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
6
NSUBSTkroku00 OUTRESERASE OUTRESALL1 TIMET_max solve spusti vypocet ulohy
76 Postprocessing POST1 prepne do Preprocesing modu krokyb=200 pocet kroku na delku coilgapu L=03 delka Rx snimace hrx1=(h2)+10e-3 jednotlive vyskove pozice Rx vinuti hrx2=(h2)+526e-3 hrx3=(h2) hrx4=((h2)-526e-3) hrx5=((h2)-10e-3) vytvoreni pole hodnot - 10 sloupcu x 300 radku sloupce odpovidaji poctu jednotlivych civek 2x5 (5 poloh horni a dolni civka) DIMTOKTABLEkroku101SUBSTEP TOK(00)=0 TOK(01)=0 TOK(02)=0 TOK(03)=0 TOK(04)=0 TOK(05)=0 TOK(06)=0 TOK(07)=0 TOK(08)=0 TOK(09)=0 TOK(010)=0 dok1kroku1 hlavni cyklus pocet cyklu odpovida poctu kroku analyzy APPEND 1 k nacteni k-teho kroku analyzy tato cast kodu je nutna pro kazdou civku zvlast (10x se opakuje) PATHHORNI26krokyb-1 definovani cesty horni civky PPATH10-c2hrx10 levy koncovy bod PPATH20c2hrx10 pravy koncovy bod PDEF BYAVG namapovani Y-slozky magneticke indukce B PCALCINTGINT_HORBYXGL vypocet integralu z By podle dX PBCPATH 0 PAGETHORNI1_TABL ulozeni hodnot ziskanych na definovane ceste do pole HORNI1_ PADELALL smazani cesty i s hodnotamy (pole HORNI1_ zustava) konec opakujici se casti prirazovani posledni hodnoty integralu do prislusneho pole vysledku TOK(k0)=k casova osa TOK(k1)=HORNI1_(krokyb6) TOK(k2)=DOLNI1_(krokyb6) TOK(k3)=HORNI2_(krokyb6) TOK(k4)=DOLNI2_(krokyb6) TOK(k5)=HORNI3_(krokyb6) TOK(k6)=DOLNI3_(krokyb6) TOK(k7)=HORNI4_(krokyb6) TOK(k8)=DOLNI4_(krokyb6) TOK(k9)=HORNI5_(krokyb6) TOK(k10)=DOLNI5_(krokyb6) DELPRM_ smaze vsechny pole vysledku koncici znakem _ enddo konec cyklu zapis_tok odkaz na skript pro zapsani pole vysledku do souboru txt
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
7
77 Makro Vyacutepis makra ktereacute uklaacutedaacute hodnoty do souboru tok_fitxt
MWRITETOK(111)tok_fitxt vytvori soubor tok_fitxt a ulozi do
nej matici vysletku TOK
(10E135) urcuje format zapisu hodnot - 10
sloupcu cisel o celkove delce 13ti
znaku z toho 5 za desetinou teckou
CFCLOS uzavre soubor
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
8
Eviden čniacute list
Souhlasiacutem s tiacutem aby moje bakalaacuteřskaacute praacutece byla půjčovaacutena k prezenčniacutemu studiu v
Univerzitniacute knihově ZČU v Plzni
Datum Podpis
Uživatel stvrzuje svyacutem čitelnyacutem podpisem že tuto bakalaacuteřskou praacuteci použil ke studijniacutem
uacutečelům a prohlašuje že ji uvede mezi použityacutemi prameny
Jmeacuteno Fakultakatedra Datum Podpis
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
13
umiacutestěna vzhledem k vysiacutelaciacute ciacutevce tak že naindukovaneacute napětiacute při nepřiacutetomnosti kovu je
rovno nule tzv uspořaacutedaacuteniacute překryacutevanyacutech ciacutevek tvaru D Stejneacuteho efektu lze dosaacutehnou při
pozici ciacutevek vzaacutejemně pootočenyacutech o 90deg Jestliže je na straně přiacutejmu soustava dvou ciacutevek
umiacutestiacute se vzhledem k vysiacutelaciacute ciacutevce tak že v nepřiacutetomnosti kovu se do ciacutevek indukuje stejně
velkeacute napětiacute ktereacute se mezi sebou odečte Rozdiacutelu obou napětiacute na přijiacutemaciacutech ciacutevkaacutech je roven
nule (obr 23)
Obr 23 Uspořaacutedaacuteniacute systeacutemu ciacutevek Jakaacutekoliv deformace pole vysiacutelaciacute ciacutevky maacute za naacutesledek porušeniacute rovnovaacutehy a na přijiacutemaciacute
straně se objeviacute napětiacute indikujiacuteciacute přiacutetomnost kovu Indukovaneacute napětiacute v přijiacutemaciacute ciacutevce lze
matematicky popsat vztahem (21)
( )ϕω +sdotsdot= tAU sin (21)
kde A amplituda signaacutelu
ω uacutehlovaacute frekvence signaacutelu
φ faacutezovyacute posuv oproti vysiacutelaneacutemu signaacutelu
Pokud se pod ciacutevkami nachaacuteziacute elektricky vodivyacute objekt z neferomagnetickeacuteho
materiaacutelu je pole deformovaacuteno sekundaacuterniacutem polem způsobenyacutem viacuteřivyacutemi proudy ktereacute
působiacute proti poli původniacutemu Pak přijiacutemaneacute napětiacute UPN v přijiacutemaciacute ciacutevce bude miacutet maximaacutelniacute
hodnotu v okamžiku největšiacute změny vysiacutelaneacuteho napětiacute UV V přiacutepadě indikace
feromagnetickeacuteho materiaacutelu je indukovaneacute napětiacute UPF ve faacutezi s vysiacutelaciacutem napětiacutem Protože je
v praxi nemožneacute dosaacutehnout absolutniacuteho vyvaacuteženiacute ciacutevek bude v přijiacutemaciacute ciacutevce vždy nějakeacute
maleacute napětiacute Na obr 24 jsou ideaacutelniacute přijiacutemaneacute signaacutely pro různeacute druhy kontaminantů U
obecnyacutech materiaacutelů se ve skutečnosti uplatňujiacute jak feromagnetickeacute vlastnosti tak vodivostniacute
Z tohoto důvodu bude miacutet napětiacute UP indukovaneacute v přijiacutemaciacute ciacutevce faacutezovyacute posuv oproti
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
14
vysiacutelaneacutemu v intervalu
20π
[2]
Obr 24 Průběhy napětiacute UV ndash vysiacutelaneacute napětiacute UPF ndash ideaacutelniacute přijiacutemaneacute napětiacute (feromagnetickyacute materiaacutel) UPN ndash ideaacutelniacute přijiacutemaneacute napětiacute (neferomagnetickyacute materiaacutel) UP ndash skutečneacute přijiacutemaneacute napětiacute [2]
Existujiacute různeacute možnosti dociacuteleniacute nuloveacuteho klidoveacuteho přenosu mezi ciacutevkami Zaprveacute
prostorovyacutem odděleniacutem kdy osy ciacutevek mezi sebou sviacuterajiacute uacutehel 90deg vysiacutelaciacute ciacutevka je uložena
svisle a přijiacutemaciacute ciacutevka vodorovně obr 25 Tyto detektory byly nazyacutevaacuteny bdquoTwo boxldquo [2]
Obr 25 Princip prostoroveacuteho uspořaacutedaacuteniacute 90deg ciacutevek [2]
V druheacutem přiacutepadě jsou obě ciacutevky uloženy vodorovně ale jejich prostoroveacute uspořaacutedaacuteniacute se voliacute
takoveacute aby byla vzaacutejemnaacute indukčnost nulovaacute Toho je dociacuteleno tiacutem že přijiacutemaciacute ciacutevkou
U (V)
t (s)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
15
prochaacuteziacute stejneacute množstviacute siločar vysiacutelaciacute ciacutevky v jednom i druheacutem směru a tiacutem dochaacuteziacute ke
kompenzaci (vyrušeniacute) jejich uacutečinku obr 26
Obr 26 Princip prostoroveacuteho uspořaacutedaacuteniacute překryacutevajiacuteciacutech se ciacutevek [2]
Společnosti vyraacutebějiacuteciacute průmysloveacute detektory kovů majiacute většinou sveacute specifickeacute uspořaacutedaacuteniacute
ciacutevek
Obr 27 Viacutece ciacutevkoveacute uspořaacutedaacuteniacute detektoru společnosti Ad controls sro a jeho skutečneacute provedeniacute [4]
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
16
Obr 28 Třiacute ciacutevkoveacute uspořaacutedaacuteniacute detektoru společnosti Loma Systems sro
Kvalita detektoru je daacutena předevšiacutem ciacutevkovou soustavou a neměnnostiacute jejiacutech vlastnostiacute a daacutele
volbou pracovniacuteho kmitočtu Špičkou mezi dnešniacutemi detektory jsou zařiacutezeniacute umožňujiacuteciacute
činnost při různyacutech budiacuteciacutech kmitočtech Vyacutehodou těchto systeacutemů je možnost použiacutevat viacutece
zařiacutezeniacute bliacutezko u sebe a hlavně možnost použitiacute různyacutech frekvenciacute pro rozdiacutelneacute produkty s
ohledem na citlivost a kvalitu detekce
3 Zařiacutezeniacute spole čnosti Loma Systems sro Podmiacutenkou k dalšiacute vyacutevojoveacute činnosti je podrobnaacute znalost vyraacuteběnyacutech zařiacutezeniacute a
vyacuterobniacutech technologiiacute v daneacutem podniku
Obr 31 Detektor kovů IQ3 s dotykovyacutem ovlaacutedaacuteniacutem společnosti Loma Systems sro [1]
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
17
31 Obecneacute informace Jsou vyraacuteběny dva typy detektorů ktereacute pracujiacute na stejneacutem principu ale lišiacute se
vysiacutelaciacutemi průběhy budiacuteciacuteho napětiacute a možnostiacute pracovat na různyacutech kmitočtech
Staršiacute model označenyacute jako IQ2 je vyraacuteběnyacute ve třech variantaacutech jako farmaceutickyacute
detektor detektor s volnyacutem propadem produktu nebo detektor s produktem dopravovanyacutem
potrubiacutem Posledniacute dva jmenovaneacute jsou takeacute vyraacuteběny na zaacutekladě technologie IQ3 Tento
systeacutem umožňuje činnost detektoru na různyacutech budiacuteciacutech kmitočtech a je použit hlavně u
dopravniacutekovyacutech detektorů Detektor IQ2 pracuje na neměnneacute frekvenci 1 MHz
Dopravniacutekoveacute detektory jsou vyraacuteběny ve dvou variantaacutech normaacutelniacute (detekčniacute otvor
maacute stěny opatřeneacute vrstvou modreacuteho epoxidu) a detektory pro extreacutemně nepřiacutezniveacute podmiacutenky
(stěny detekčniacuteho otvoru jsou pokryty odolnyacutem plastem) ktereacute odolaacutevajiacute i vysokotlakeacutemu
vodniacutemu čištěniacute Obě varianty jsou vhodneacute i pro použitiacute v potravinaacuteřskeacutem průmyslu
Všechny detektory jsou schopny pracovat při siacuteťoveacutem napětiacute 110115200220230 V
50 nebo 60 Hz 1f 380400 V 5060 Hz 3f a majiacute stupeň krytiacute IP 69K což umožňuje uacutedržbu
vysokotlakyacutemi vodniacutemi čističi Ovlaacutedaacuteniacute a komunikace s detektorem je zajištěna LCD
displejem s tlačiacutetky nebo displejem dotykovyacutem Každyacute detektor je vybaven releacuteovyacutemi
vyacutestupy jimiž je možno ovlaacutedat chod dopravniacuteku vyřazovaciacute systeacutem signalizačniacute lampy či
klakson
Detektor jako takovyacute se sklaacutedaacute z jedneacute čaacutesti kde je jak samotnyacute detekčniacute otvor tak i
veškeraacute elektronika Detekčniacute otvor tvořiacute jaacutedro z tvrzeneacuteho papiacuteru (Tufnol) do ktereacuteho jsou
vlepeny vodiče ciacutevek Stěny detekčniacuteho otvoru jsou opatřeny modryacutem epoxidem nebo biacutelyacutem
polyethylenem (Acetal) kteryacute maacute většiacute mechanickou odolnost Celeacute zařiacutezeniacute je uzavřeno v
obalu z nerezoveacute oceli ANSI 304 (DIN 14301) tloušťky 3 mm Prostor mezi jaacutedrem a
nerezovyacutem obalem je vyplňovaacuten pěnivyacutem epoxidem
Elektronika detektoru obsahuje tři desky plošnyacutech spojů a ovlaacutedaciacute displej Hlavniacute
čaacutestiacute je řiacutediacuteciacute deska (Control board) na ktereacute se nachaacuteziacute blok napaacutejeciacuteho zdroje
vyhodnocovaciacute obvody paměti AD převodniacuteky signaacutelu a vstupniacutevyacutestupniacute obvody Dalšiacutemi
čaacutestmi jsou vysiacutelaciacute deska (Transmitter board) a deska přijiacutemače (Receiver board)
32 Vysiacutelaciacute čaacutest - Tx Postupneacute upouštěniacute od vyacuteroby zastaraleacute verze detektorů IQ2 je důvodem pro zaměřeniacute
teacuteto praacutece na detektory IQ3 Systeacutem IQ3 je multifrekvenčniacute založenyacute na balančniacutem principu
Oproti standardniacutem balančniacutem detektorům je zde vysiacutelaciacute ciacutevka buzena nespojityacutem signaacutelem
Vyacutehodou použitiacute tohoto signaacutelu je snadnaacute změna frekvence možnost řiacutezeniacute vysiacutelaciacuteho vyacutekonu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
18
a celkoveacute zvyacutešeniacute kvality detekce neboť rychlyacutem změnaacutem budiacuteciacuteho proudu odpoviacutedaacute velkaacute
změna magnetickeacuteho indukčniacuteho toku Dle Faradayova indukčniacuteho zaacutekona je velikost
indukovaneacuteho napětiacute daacutena rychlostiacute změny magnetickeacuteho indukčniacuteho toku (31)
tU i ∆
∆Φminus= (31)
Činnost Tx boardu (vysiacutelaciacute desky) je řiacutezena mikrokontrolerem kteryacute komunikuje s
Control boardem seacuteriovyacutem rozhraniacutem Deska umožňuje kontrolu napaacutejeniacute vysiacutelaciacuteho proudu
teploty a přiacutepadneacute přerušeniacute Tx vinutiacute (vysiacutelaciacute ciacutevky) Mikrokontroler řiacutediacute jak vysiacutelaciacute
průběh tak vyhodnocovaciacute obvody ktereacute jsou na Rx boardu (přijiacutemaciacute deska)
Na Tx board jsou přivaacuteděna napětiacute 12 V -12 V proti zemi použiacutevanaacute k buzeniacute Tx
vinutiacute Z kladneacuteho napětiacute se daacutele ziacuteskaacutevaacute napětiacute 33 V a 18 V pro napaacutejeniacute ostatniacutech obvodů
Budiacuteciacute signaacutel je kvůli požadovaneacutemu vysokeacutemu pulsniacutemu vyacutekonu odebiacuteraacuten z kondenzaacutetoroveacute
baterie Velikost odebiacuteraneacuteho proudu je měřena operačniacutem zesilovačem zapojenyacutem jako
převodniacutek IU
Vyacutekonovaacute čaacutest Tx boardu je tvořena čtyřmi MOSFET tranzistory řiacutezenyacutemi
mikrokontrolerem Vyacutekonoveacute tranzistory T1 až T4 jsou zapojeny dle obr 32
Obr 32 Zapojeniacute koncoveacute čaacutesti vysiacutelače
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
19
Vysiacutelaciacute ciacutevka je tvořena pouze jedniacutem zaacutevitem Cu draacutetu ϕ 1 mm jeho indukčnost a kapacita
je vzhledem k jeho vodivosti zanedbatelnaacute a při nižšiacutech frekvenciacutech se tedy chovaacute jako zkrat
Pokud je časovyacute posuv mezi U1 a U2 roven nule pak napětiacute UTX je takeacute rovno nule a Tx
ciacutevkou neteče žaacutednyacute proud obr 33
-12
-8
-4
0
4
8
12
16U1 (V)
-16
-12
-8
-4
0
4
8
12
16
000E+00 100E-05 200E-05 300E-05 400E-05 500E-05 600E-05
čas (s)
U2 (V)
Obr 331 Průběhy signaacutelů U1 a U2 přivaacuteděnyacutech na vyacutevody Tx vinutiacute V detektoru by se dala naměřit pouze elektrickaacute složka pole odpoviacutedajiacuteciacute původniacutemu signaacutelu
Pro detekci kovu je však důležiteacute elektromagnetickeacute pole kteraacute vznikaacute průchodem proudu
vinutiacutem Proudoveacuteho impulsu je dosaženo časovyacutem posunem mezi napětiacutemi U1 a U2
přivaacuteděnyacutemi na svorky Tx vinutiacute V tomto přiacutepadě potečou zkratoveacute proudoveacute pulsy
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
20
odpoviacutedajiacuteciacute připojeneacutemu napětiacute UTX viz obr 34 Vyacutekon detektoru je tedy řiacutezen časovyacutem
posunem mezi průběhy napětiacute U1 a U2 Tomuto časoveacutemu posuvu pak odpoviacutedaacute i velikost
odebiacuteraneacuteho proudu do Tx vinutiacute
-12
-8
-4
0
4
8
12
16U1 (V)
-12
-8
-4
0
4
8
12
16U2 (V)
000E+00 100E-05 200E-05 300E-05 400E-05 500E-05 600E-05
Čas (s)
I (A)
Obr 34 Časově posunutaacute napětiacute U1 U2 přivaacuteděnaacute na vyacutevody Tx vinutiacute a průběh proudu I v Tx vinutiacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
21
33 Přijiacutemaciacute čaacutest - Rx Zaacutekladem přijiacutemaciacute čaacutesti je soustava složenaacute ze dvou paralelně spojenyacutech Rx ciacutevek
podle obr 35 každaacute se dvěma zaacutevity U tohoto uspořaacutedaacuteniacute hraje důležitou roli smysl vinutiacute
Rx ciacutevek (označeniacute počaacutetku a konce vinutiacute) a jejich přesnaacute poloha Tx musiacute prochaacutezet přesně
v jedneacute polovině vzdaacutelenosti l
Obr 35 Geometrickeacute uspořaacutedaacuteniacute je voleno tak že pokud neprochaacuteziacute detektorem kontaminant napětiacute
indukovaneacute napaacutejenou ciacutevkou Tx do Rx ciacutevek je minimaacutelniacute
Jak bylo řečeno v kapitole 32 pro detekci kovu je podstatneacute elektromagnetickeacute pole
Elektrickeacute pole je odstraněno na primaacuterniacutem vinutiacute vstupniacuteho transformaacutetoru TR s dvojityacutem
primaacuterniacutem vinutiacutem zapojenyacutem proti sobě v poměru k sekundaacuterniacutemu vinutiacute 1+130 umiacutestěnyacutem
na Rx boardu Na obraacutezku 36 je zapojeniacute vstupniacuteho obvodu Rx boardu Elektrickaacute složka
pole maacute vůči zemi na obou vyacutevodech Rx ciacutevek stejnyacute průběh Primaacuterniacute vinutiacute TR maacute
vyvedenyacute střed na zem čiacutemž se elektrickaacute složka pole uzemniacute (teče proud) Protože jsou
Rx1 ciacutevka
Rx2 ciacutevka
Tx ciacutevka
l
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
22
průběhy na obou vyacutevodech stejneacute magnetickeacute toky v TR vyvolaneacute proudem působiacute proti sobě
a na sekundaacuterniacute vinutiacute se neindukuje žaacutedneacute napětiacute Dojde-li k narušeniacute magnetickeacuteho pole
uvnitř detekčniacuteho prostoru vznikaacute rozdiacutel naindukovaneacuteho napětiacute v leveacutem a praveacutem vodiči Rx
ciacutevky Tento rozdiacutel napětiacute maacute za naacutesledek tok proudu kteryacute se uzaviacuteraacute přes primaacuterniacute vinutiacute
TR1 a indukuje napětiacute na sekundaacuterniacute straně Toto napětiacute je daacutele zpracovaacutevaacuteno
Obr 36 Vstupniacute obvod Rx boardu
34 Princip vyhodnocovaacuteniacute Signaacutel na sekundaacuterniacutem vinutiacute transformaacutetoru TR je zpracovaacutevaacuten blokem obvodů pro
uacutepravu signaacutelu Ten obsahuje aktivniacute filtr a integračniacute člen s niacutezko-šumovyacutem operačniacutem
zesilovačem Za integračniacutem členem je měřiciacute bod kteryacute je využit při oživovaacuteniacute detektorů
Napětiacute Ub (balance signal) v tomto bodě se zobrazuje na osciloskopu a jeho maximaacutelniacute
hodnota by neměla přesaacutehnout 6 V špička - špička Čiacutem je rozkmit toho napětiacute nižšiacute tiacutem lze
dosaacutehnout vyššiacute citlivosti detektoru (kap 35 Vyvažovaacuteniacute detektoru) Nuloveacuteho rozkmitu
nelze dosaacutehnout mimo jineacute kvůli vyacuterobniacutem toleranciacutem zařiacutezeniacute a nehomogenitaacutem Citlivost
elektronickyacutech čaacutestiacute je velmi vysokaacute a uplatňujiacute se rušiveacute vlivy při jejich činnosti (vliv
teploty mechanickeacute chvěniacute) Napětiacute Ub odpoviacutedaacute vyrovnaacutevaciacutemu proudu v Rx ciacutevkaacutech
Přiacuteklad jeho průběhu bez kontaminantu je na obr 37
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
23
Obr 37 Přiacuteklad průběhu napětiacute Ub
Napětiacute Ub je přivaacuteděno na dva samostatneacute elektronickeacute obvody (řiacutezeneacute usměrňovače)
ovlaacutedaneacute řiacutediacuteciacutemi napětiacutemi z mikrokontroleru (na Tx boardu) Dvě řiacutediacuteciacute napětiacute jednoho
usměrňovače jsou vůči sobě o π posunuty a zaacuteroveň jsou posunuty o π2 proti dvěma řiacutediacuteciacutem
napětiacutem druheacuteho usměrňovače Vyacutesledkem jsou dva napěťoveacute signaacutely (P a Q) ktereacute jsou daacutele
zpracovaacutevaacuteny (integrace zesiacuteleniacute) s možnostiacute ručniacute volby zesiacuteleniacute ve čtyřech stupniacutech
(ovlaacutedaacuteniacute citlivosti detektoru) Tyto signaacutely jsou již nositelem informace a jsou na Control
boardu převedeny do digitaacutelniacute podoby Takto upraveneacute signaacutely jsou vyhodnocovaacuteny
algoritmy v hlavniacutem mikrokontroleru
35 Vyvažovaacuteniacute detektoru Zaacutekladem kvalitniacute a stabilniacute detekce je ciacutevkovyacute systeacutem Aby se dosaacutehlo co nejlepšiacuteho
vyvaacuteženiacute ciacutevek je nutnaacute přesnaacute bytelnaacute a rozměrově staacutelaacute konstrukce Detektory společnosti
Loma Systems sro majiacute ciacutevky uloženeacute ve vyfreacutezovanyacutech draacutežkaacutech a zajištěneacute epoxidovyacutem
lepidlem I přes to je detektor po osazeniacute elektronikou značně nevyvaacuteženyacute balančniacute napětiacute Ub
překračuje požadovanou hodnotu 6 V špička - špička natolik že může dojiacutet i k saturaci
elektronickyacutech obvodů Je tedy nutneacute ciacutevkovyacute systeacutem vyvaacutežit (vybalancovat)
Nejprve se provede hrubeacute laděniacute spočiacutevajiacuteciacute v tvarovaacuteniacute maleacute smyčky Tx vinutiacute v čele
detektoru obr 38
0 T2 T
25 V Ub
-25 V
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
24
Obr 38 Vyvažovaciacute očko na Tx vinutiacute a vlepenyacute pliacutešek uvnitř detekčniacuteho otvoru
Tato smyčka plniacute funkci kompenzačniacuteho vinutiacute po natvarovaacuteniacute je očko zaliteacute epoxidovyacutem
lepidlem U detektorů s vnitřniacute uacutepravou detekčniacuteho otvoru modryacutem epoxidem se do
detekčniacuteho otvoru daacutele vlepujiacute vyvažovaciacute pliacutešky různyacutech tvarů a velikostiacute (od 1 cm2 do 4
cm2) obr 38 ktereacute se naacutesledně zalijiacute do roviny modryacutem epoxidem Jako materiaacutel
vyvažovaciacutech pliacutešků je použita nerezovaacute ocel ANSI 304 (DIN 14301) tloušťky 2 mm Druhyacute
typ detektorů s odolnyacutem plastovyacutem povrchem (typ US) neumožňuje vlepovaacuteniacute pliacutešků
dovnitř detekčniacuteho otvoru Balancovaacuteniacute se tedy provaacutediacute přesnějšiacutem tvarovaacuteniacutem Tx očka
popřiacutepadě vlepovaacuteniacutem pliacutešků v jeho okoliacute
Pro jemneacute doladěniacute se u obou těchto variant (US typ a klasickyacute s modrou epoxidovou
vyacuteplniacute detekčniacuteho otvoru) osazujiacute balančniacute moduly obr 39 ktereacute na plastoveacutem otočneacutem diacutelu
majiacute tuning block o rozměrech cca 05 cm2 z 5 mm tlusteacuteho nerezu Oba balančniacute moduly
umožňujiacute pohyb tuning blocku v okoliacute vyvažovaciacuteho očka
Obr 39 Balančniacute moduly i s kryciacutemi plechy vlevo US vpravo klasickyacute
Tyto moduly nejsou přiacuteliš efektivniacute a sloužiacute pouze k miacuterneacutemu vyvaacuteženiacute Použiacutevajiacute se dva typy
Tuning block
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
25
těchto modulů podle varianty vnitřniacute vyacuteplně detektoru (US typ a klasickyacute s modrou
epoxidovou vyacuteplniacute detekčniacuteho otvoru) Jedniacutem z přijatyacutech naacutevrhů pro vylepšeniacute detektorů s
modrou epoxidovou vyacuteplniacute je použitiacute stejneacuteho balančniacuteho modulu jako u detektoru typu US
Vyacuterobniacute cena US balančniacuteho modulu je podstatně nižšiacute a umožňuje změnu polohy
vyvažovaciacuteho diacutelu nejen po obvodu kružnice ale i změnu vzdaacutelenosti mezi rovinami očka a
tuning bloku Změna teacuteto vzdaacutelenosti se využije v přiacutepadě kdy po osazeniacute detektoru s modrou
epoxidovou pryskyřiciacute balančniacutem modulem dojde ke zhoršeniacute vyvaacuteženiacute ktereacute pouhyacutem
natočeniacutem po kružnici nelze vykompenzovat Použiacutevaacuteniacutem pouze balančniacuteho modulu typu
US by se dosaacutehlo sniacuteženiacute počtu součaacutestek ve vyacuterobniacutem procesu sniacuteženiacute naacutekladů na vyacuterobu
detektoru s modrou epoxidovou vyacuteplniacute detekčniacuteho prostoru a odstranil by se i probleacutem
vznikajiacuteciacute při osazeniacute těchto detektorů balančniacutemi moduly
Dalšiacute naacutevrh se tyacutekal materiaacutelu použiteacuteho na tuning block Snahou bylo zvyacutešit vliv
tuning bloku natolik aby bylo možneacute vynechat kompenzačniacute očko čiacutemž by došlo k urychleniacute
laděniacute Byly testovaacuteny materiaacutely FeNi47ln5 tloušťky 03 mm a FeNi42 tloušťky 04 mm Byl
zvolen tvar kteryacute umožňoval použitiacute staacutevajiacuteciacutech US modulů obr 310 Vliv tuning blocků
se sice zvyacutešil nicmeacuteně ne natolik aby mohlo byacutet vyvažovaciacute očko zcela vynechaacuteno
Obr 310 Prototypy tuning blocků z novyacutech materiaacutelů
36 Vyacutestupniacute kontrola Před samotnou expediciacute detektoru je nutneacute proveacutest kontrolu detekce Kvalita detekce
je ověřovaacutena třemi typy kontaminantů neželeznyacute - NONFE (mosaz) železnyacute - FE (chromovaacute
ocel) a nerezovyacute - SS (ANSI 304) K tomu jsou určeny přiacutepravky na obr 311 a 312 Jednaacute
se o kuličky definovanyacutech průměrů ktereacute jsou zaliteacute v plastovyacutech tyčinkaacutech opatřenyacutech
rozměrovou specifikaciacute kontaminantu Barva tyček odlišuje použityacute typ kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
26
Obr 311 Testovaciacute vzorky pro dopravniacutekoveacute detektory
Obr 312 Testovaciacute vzorky pro farmaceutickeacute detektory
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
27
4 Optimalizace a stiacuten ěniacute detektoru Jedniacutem z bodů teacuteto praacutece je navrženiacute optimalizaciacute průmysloveacuteho detektoru kovu z
hlediska kvality detekce a vyšetřeniacute elektromagnetickeacuteho pole s ohledem na rušiveacute vlivy Z
počaacutetku byly provaacuteděny pokusy se stiacuteněniacutem ciacutevek s ohledem na rušeniacute vnějšiacutem
elektromagnetickyacutem polem Prvniacute uacutevahy vedly k použitiacute stiacuteniacuteciacuteho materiaacutelu s velkou
permeabilitou kteryacute by do sebe soustředil většiacute množstviacute indukčniacutech čar unikajiacuteciacutech do okoliacute
a tiacutem omezil vnějšiacute rušeniacute Na zaacutekladě teacuteto uacutevahy byly testovaacuteny dva materiaacutely FeNi47ln5
tloušťky 03 mm a FeNi42 tloušťky 04 mm ktereacute mohou dosahovat relativniacute permeability až
micror_12106 [5] Těmito pokusy se sice sniacutežilo množstviacute indukčniacutech čar magnetickeacuteho pole
unikajiacuteciacuteho z detektoru ale vlivem přiacuteliš velkeacute permeability bylo ovlivněno i pole uvnitř
detekčniacuteho prostoru kde došlo ke sniacuteženiacute citlivosti Tento naacutevrh měl dalšiacute negativniacute faktory
jako je vysokaacute cena použityacutech materiaacutelů a omezeneacute vyacuterobniacute možnosti nedostačujiacuteciacute šiacuteřkou
paacutesů což by vedlo ke sklaacutedaacuteniacute plechů vedle sebe a tiacutem ke vzniku nehomogenit
Aby byly optimalizace efektivniacute je třeba znaacutet rozloženiacute elektromagnetickeacuteho pole
uvnitř detektoru a vlivy ktereacute na něj působiacute Proto bylo přistoupeno k využitiacute počiacutetačoveacuteho
softwaru Ansys Jednaacute se o profesionaacutelniacute software založenyacute na metodě konečnyacutech prvků Je
určen předevšiacutem pro simulace mechanickeacuteho namaacutehaacuteniacute ale umožňuje i řešeniacute teplotniacutech
elektromagnetickyacutech a sdruženyacutech poliacute [6] Ansys byl vybraacuten předevšiacutem pro možnost řešeniacute i
3D probleacutemů V teacuteto praacuteci bylo z důvodů vyacutepočetniacute naacuteročnosti a velkeacuteho množstviacute
jednotlivyacutech vyacutepočtů přistoupeno k řešeniacute probleacutemu pouze ve dvourozměrneacutem prostoru V
tomto přiacutepadě je řešeno nestacionaacuterniacute magnetickeacute pole ktereacute popisuje rovnice (41) [7]
( ) extr JArotdt
dABArotrot =timesminus+
minus γυγmicro1
(41)
kde
BArot = (42)
A magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel
micro permeabilita
Br remanentniacute indukce
B magnetickaacute indukce
γ měrnaacute elektrickaacute vodivost
ν rychlost pohybu tělesa v magnetickeacutem poli
Jext vektor vnějšiacute proudoveacute hustoty
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
28
41 Vyšet řovaacuteniacute vlivu pozice Rx vinutiacute Nejprve byly provedeny simulace staacutevajiacuteciacuteho zařiacutezeniacute o rozměrech detekčniacuteho otvoru
150 mm x 350 mm Zaacutekladniacute geometrie probleacutemu je na obraacutezku 41 Pro řešeniacute zaacutekladniacuteho
probleacutemu by bylo možneacute použiacutet symetrii modelu pokud však model doplniacuteme o kontaminant
možnost teacuteto symetrie odpadaacute Byly provedeny tři seacuterie vyacutepočtů ktereacute se lišily materiaacutelem
kontaminantu Každaacute seacuterie se sklaacutedala z 24 samostatnyacutech vyacutepočtů ve kteryacutech se postupně
měnila pozice kontaminantu tak jako je tomu při skutečneacute situaci na dopravniacutem paacutesu
Použityacutem APDL skriptem by bylo možneacute řešit i průchody kontaminantu v různyacutech vyacuteškaacutech
detekčniacuteho otvoru Pro potřeby těchto vyacutepočtů byl průchod zvolen středem jelikož je zde
citlivost detektoru nejnižšiacute Nutno poukaacutezat na skutečnost že kontaminant reprezentovanyacute
kružniciacute v řezu detektoru nelze považovat za kulovyacute nyacutebrž za vodič kruhoveacuteho průřezu
stejneacute deacutelky jako Tx respektive Rx vinutiacute Rozmeziacute pohybu kontaminantu bylo od -230 mm
do 230 mm vůči Tx vinutiacute s krokem 20 mm Obdeacutelniacuteky v okoliacute Tx vinutiacute byly vytvořeny za
uacutečelem možnosti zjemněniacute vyacutepočetniacute siacutetě v prostoru Tx a Rx vinutiacute Na obraacutezku 41 nejsou
namodelovaacuteny Rx ciacutevky neboť hodnota naindukovaneacuteho napětiacute byla ziacuteskaacutevaacutena v pěti
různyacutech vyacuteškovyacutech poziciacutech a bylo hodnoceno indukovaneacute napětiacute Ui
Obr 41 Zaacutekladniacute geometrie
nerezovyacute kryt
vodiče Tx vinutiacute
kontaminant
obdeacutelniacuteky vzduchoveacuteho okoliacute s jemnějšiacute vyacutepočetniacute siacutetiacute střed souřadneacuteho
systeacutemu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
29
411 Preprocessing - p řiacuteprava skriptu Nejprve bylo nutneacute zjistit geometrickeacute rozměry a materiaacuteloveacute konstanty zkoumaneacuteho
detektoru Geometrickeacute rozměry byly ziacuteskaacuteny z databaacuteze Solidworks modelů společnosti
Loma Systems sro V kapitole 71 je uacuteryvek APDL skriptu pro tvorbu geometrie
Materiaacutely použiteacute v modelu jsou vzduch vodiče Tx vinutiacute nerezovyacute obal detektoru a
materiaacutely kontaminantů V raacutemci zjednodušeniacute modelu nebyly uvažovaacuteny PVC izolace Tx
vinutiacute samotneacute Tufneloveacute jaacutedro a materiaacutel s niacutemž je prostor mezi jaacutedrem a nerezovyacutem
krytem vyplněn neboť tyto materiaacutely vykazujiacute z pohledu šiacuteřeniacute elektromagnetickeacuteho pole
stejneacute vlastnosti jako vzduch Konkreacutetniacute hodnoty materiaacutelovyacutech konstant viz tabulka 41
odpor Tx vinutiacute nebyl uvažovaacuten neboť jeho plochy byly zatiacuteženy definovanou proudovou
hustotou tudiacutež neniacute možneacute uvažovat přiacutepadně naindukovaneacute viacuteřiveacute proudy Daacutele bylo nutneacute
zvolit a spraacutevně nastavit použiteacute elementy modelu
Tab 41 Materiaacuteloveacute vlastnosti
měrnaacute
permeabilita [-] měrnyacute elektrickyacute
odpor [Ωm]
vzduch 1 -
Tx vinutiacute 1 -
nerezovaacute ocel (ANSI 304 DIN 14301)
1008 [10] 72010-7
neželeznyacute kontaminant (mosaz)
1 75010-8
železnyacute kontaminant (chromovaacute ocel)
400 12010-7
nerezovyacute kontaminant (ANSI 304 DIN 14301) 1008 72010-7
Jako elementy daneacuteho modelu byly zvoleny elementy PLANE53 určeneacute pro řešeniacute
magnetickeacuteho pole Jednaacute se o osmi uzloveacute elementy ktereacute mohou miacutet až čtyři stupně
volnosti na uzel Stupně volnosti mohou byacutet magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel (AZ) časově
integrovanyacute elektrickyacute skalaacuterniacute potenciaacutel (VOLT) elektrickyacute proud (CURR) a
elektromotorickaacute siacutela (EMF) [6] Geometrie elementu na obr 42
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
30
Obr 42 Geometrie elementu PLANE53 [6]
Uacuteryvek koacutedu v kapitole 72 obsahuje definovaacuteniacute materiaacutelovyacutech vlastnostiacute definovaacuteniacute
elementů a jejich nastaveniacute V dalšiacute časti bylo nutneacute jednotliveacute materiaacutely a elementy přiřadit
danyacutem plochaacutem
Daacutele bylo zapotřebiacute nastavit atributy pro automatickeacute siacuteťovaacuteniacute oblasti Je nutneacute aby v
tenkyacutech a malyacutech plochaacutech byla vyššiacute hustota siacutetě než na velkyacutech plochaacutech kde postačuje siacuteť
řidšiacute Velmi důležitaacute je kompatibilita siacutetě proto byla v okoliacute Tx vodičů vytvořena
obdeacutelniacutekovaacute oblast s hustšiacute siacutetiacute viz uacuteryvek koacutedu v přiacuteloze 73
Obr 43 Detailniacute pohled na siacuteť elementů
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
31
V posledniacute čaacutesti preprocessingu byla definovaacutena Dirichletova okrajovaacute podmiacutenka
udaacutevajiacuteciacute magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel roven nule na vnějšiacute hrany vzduchoveacuteho okoliacute a
průběh budiacuteciacute proudoveacute hustoty v Tx vodičiacutech V horniacutem a dolniacutem vodiči měly toky opačnyacute
smysl proto bylo nutneacute vytvořit dva vektory hodnot J1 (obr 44) a mJ1 V posledniacute řadě bylo
provedeno přiřazeniacute průběhů k plochaacutem viz kapitola 74
Obr 44 Průběh proudoveacute hustoty v ploše Tx vodiče
Ansys byl do Solution modu přepnut přiacutekazem SOL kde se provedlo nastaveniacute
analyacutezy a byl spuštěn vyacutepočet viz kapitola 76
412 Postprocessing - ziacuteskaacutevaacuteniacute vyacutesledk ů Ciacutelem teacuteto čaacutesti bylo zjištěniacute průběhů naindukovanyacutech napětiacute Ui v zaacutevislosti na čase
pro různeacute vyacuteškoveacute pozice přijiacutemaciacutech ciacutevek Rx Pro indukovaneacute napětiacute platiacute vztah
( )Vndt
dU i sdotΦminus= (43)
kde
( )TdxBlx
x
Yint sdotsdot=Φ2
1
(44)
n počet zaacutevitů Rx vinutiacute
l deacutelka Rx vinutiacute ve směru osy Z
x1 a x2 šiacuteřka Rx vinutiacute ve směru osy X
BY složka magnetickeacute indukce v ose Y
Zadaacuteniacutem souřadnic dvou bodů se nadefinovala uacutesečka (cesta) na kterou byly s určityacutem
J (Am-2)
kroky vyacutepočtu (-)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
32
krokem zaznamenaacuteny hodnoty magnetickeacute indukce BY Průběh BY v zaacutevislosti na souřadnici X
je na obr 45
Obr 45 Průběh magnetickeacute indukce BY v zaacutevislosti na souřadnici X
Obr 46 Průběh magnetickeacuteho toku Φ v zaacutevislosti na souřadnici X
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
33
Integrovaacuteniacutem průběhu BY se ziacuteskal průběh magnetickeacuteho indukčniacuteho toku Φ obr 46
Magnetickyacute indukčniacute tok Φ je roven určiteacutemu integraacutelu (rovnice 44) průběhu BY obr 45 Z
toho vyplyacutevaacute že magnetickyacute indukčniacute tok je roven posledniacute hodnotě průběhu na obr 46
Tato hodnota se vynaacutesobila deacutelkou Rx vinutiacute Postup vyacutepočtu se opakoval pro všechny pozice
Rx vinutiacute a to v každeacutem kroku transientniacute analyacutezy Tiacutem se ziacuteskala zaacutevislost magnetickeacuteho
indukčniacuteho toku Φ na čase t V programu MS Excel se vynaacutesobil tok počtem zaacutevitů Rx vinutiacute
a byla provedena derivace podle času (rovnice 43) Takto byly zpracovaacuteny vyacutesledky pro
všechny pozice kontaminantu vůči Tx vinutiacute APDL skript pro ziacuteskaacutevaacuteniacute hodnot viz kapitola
76 a v kapitole 77 je vyacutepis makra ktereacute uklaacutedaacute hodnoty do souboru
413 Hodnoceniacute vyacutesledk ů Vypočteneacute hodnoty Ui ve všech pěti vyacuteškovyacutech poziciacutech hrx byly vyneseny do grafů v
zaacutevislosti na čase Pokud se vynesou do jednoho grafu průběhy indukovanyacutech napětiacute pro
každou pozici kontaminantu v daneacute vyacutešce lze sledovat odezvu indukovaneacuteho napětiacute na
polohu kontaminantu Jelikož byly provedeny tři seacuterie vyacutepočtů s různyacutemi kontaminanty lze
porovnat i tvary přijiacutemanyacutech signaacutelu pro jednotliveacute materiaacutely Ciacutelem teacuteto čaacutesti je porovnat
signaacutely ziacuteskaacutevaneacute v různyacutech vyacuteškovyacutech polohaacutech Rx vinutiacute a vybrat nejvhodnějšiacute signaacutel pro
detekci
Na naacutesledujiacuteciacutech grafech jsou znaacutezorněny napěťoveacute průběhy během jedneacute periody v
zaacutevislosti na poloze kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
34
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 47 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 48 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
35
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 49 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 410 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
36
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 411 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 5)
Na obraacutezciacutech 47 až 411 jsou zobrazeny průběhy odpoviacutedajiacuteciacute průchodu železneacuteho
kontaminantu s relativniacute permeablitou 400 a měrnyacutem elektrickyacutem odporem 10210-7 Ωm Na
průběziacutech 47 48 a 411 lze pozorovat sice nižšiacute hodnotu signaacutelu ale celkovaacute deformace
během průchodu kontaminantu je většiacute
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 412 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
37
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 413 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 414 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
38
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 415 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 416 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce5)
Na obraacutezciacutech 412 až 416 jsou zobrazeneacute průběhy odpoviacutedajiacuteciacute průchodu kontaminantu z
nerezu ANSI 304 s relativniacute permeablitou 1008 a měrnyacutem elektrickyacutem odporem 7210-7
Ωm Při porovnaacuteniacute s předchoziacutem kontaminantem je změna signaacutelu nižšiacute což odpoviacutedaacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
39
předpokladům o obtiacutežnějšiacute detekci nerezovyacutech kontaminantů
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 417 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 418 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
40
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 419 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 420 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
41
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 421 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 5)
Na obraacutezciacutech 417 až 421 jsou zobrazeny průběhy odpoviacutedajiacuteciacute neželezneacutemu
kontaminantu (mědi) s parametry relativniacute permeablita 1 a měrnyacute elektrickyacute odpor 7510-8
Ωm Průběh signaacutelu je velmi podobnyacute signaacutelům nerezoveacuteho kontaminantu
Porovnaacuteniacutem všech grafů (obr 47 - obr 422) je obecně vidět že u průběhů ve vyacutešce
3 a 4 je zisk signaacutelu pro všechny modelovaneacute kontaminanty největšiacute Dochaacuteziacute zde ale ke
změně amplitudy pouze v jednom smyslu což z hlediska vyhodnocovaciacutech algoritmů zlepšeniacute
detekce vylučuje Naproti tomu je u signaacutelu ve vyacutešce 5 znatelně vyššiacute amplituda než v
použiacutevaneacute vyacutešce 2 Na zaacutekladě tohoto zjištěniacute bude zhotoven prototyp detektoru za uacutečelem
ověřeniacute teoretickyacutech vyacutesledků
Na obraacutezku 422 je ukaacutezka grafickeacuteho vyacutestupu zobrazujiacuteciacuteho vektory proudoveacute
hustoty naindukovaneacute v nerezoveacutem krytu a v kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
42
Obr 422 Vektory proudovyacutech hustot naindukovanyacutech do kontaminantu a nerezoveacuteho krytu
Obraacutezek 423 zobrazuje kontury magnetickeacuteho pole ve stejneacutem časoveacutem kroku jako obr
422 Pole ktereacute je konturami zobrazeno je tvořeno praacutevě proudovou hustotou obr 422 Je
zde možneacute pozorovat jak se pole deformuje přiacutetomnyacutem kontaminantem
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
43
Obr 423 Kontury magnetickeacuteho vektoroveacuteho potenciaacutelu s viditelnou deformaciacute pole způsobenou
feromagnetickyacutem kontaminantem
42 Vyšet řovaacuteniacute množstviacute vyza řovaneacute energie V teacuteto čaacutesti se vychaacutezelo z předpokladu že intenzita elektromagnetickeacuteho pole uvnitř
detektoru je mnohem většiacute než elektromagnetickyacute šum kteryacute do detektoru vnikaacute z okoliacute
Proto lze předpoklaacutedat že rušeniacute bude způsobeno předevšiacutem deformaciacute vlastniacuteho
vyzařovaneacuteho pole v bliacutezkeacutem okoliacute detektoru To vede ke snaze snižovat množstviacute vlastniacuteho
vyzaacuteřeneacuteho pole ven z detektoru aby nemohlo byacutet deformovaacuteno okolniacutemi předměty
421 Řešeniacute probleacutemu Bylo porovnaacuteno pět variant detektorů bez průchodu kontaminantu Každaacute varianta se
řešila jedniacutem vyacutepočtem z čehož plyne malaacute časovaacute naacuteročnost a proto byly probleacutemy řešeny
bez využitiacute symetrie Prvniacute byl staacutevajiacuteciacute detektor o tloušťce kryciacuteho nerezoveacuteho plechu 3 mm
druhyacute byl stejneacute geometrie ale za použitiacute silnějšiacuteho 5 mm tlusteacuteho nerezu Třetiacute typ měl
tloušťku 3 mm ale na horniacute a dolniacute stěně bylo přidaacuteno dalšiacute stiacuteněniacute z nerezu ve tvaru T (obr
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
44
426) Posledniacute dva naacutevrhy měly pravouacutehlyacute tvar krytu celkově menšiacutech rozměrů z nichž jeden
byl jednoduchyacute o tloušťce 3 mm (obr 427) a druhyacute měl shora a zdola dvojiteacute dno z nerezu
tloušťky 3 mm (obr_428) Touto metodou by se dalo porovnaacutevat mnohem většiacute množstviacute
provedeniacute ktereacute by se mohly lišit i použityacutem materiaacutelem Vzduchoveacute okoliacute detektoru bylo
rozděleno na čtyři sektory v nichž se sečetly hodnoty magnetickeacute energie jednotlivyacutech
elementů v každeacutem kroku analyacutezy a tiacutem se ziacuteskal průběh množstviacute energie v daneacutem prostoru
na čase Objemovaacute hustota magnetickeacute energie byla zjišťovaacutena ve všech plochaacutech daneacute
geometrie a bylo možno sledovat jak se energie v čase přemisťuje
Obr 424 Geometrie varianty 3 mm
Obr 425 Geometrie varianty 5 mm
Obr 426 Geometrie varianty 3 mm-stineni
Obr 427 Geometrie varianty novy 1
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
45
Obr 428 Geometrie varianty novy 2
Přiacuteprava skriptů se od předchoziacutech vyacutepočtů lišila pouze v geometrii jinak byla
principiaacutelně stejnaacute Rozdiacutel byl však v čaacutesti post-processingu (ziacuteskaacutevaacuteniacute vyacutesledků) Aby bylo
možno přistupovat k jednotlivyacutem sektorům musel byacutet každyacute sektor definovaacuten vlastniacutem typem
elementů (elementy byly použity stejneacute jednaacute se pouze o čiacuteslovaacuteniacute) Byly použity osmkraacutet
elementy PLANE53
ET153 Tx vinuti ET253 prostor uvnitr detektoru ET353 nerezovy obal ET453 detekcni prostor ET553 vzduchove okoli - horni ET653 vzduchove okoli - pravy ET753 vzduchove okoli - dolni ET853 vzduchove okoli - levy
Přiacuteklad načiacutetaacuteniacute vyacutesledků pro jeden typ elementů
POST1 prepnutiacute do postprocesoru allsel oznaceni vsech elementu vytvoreni pole pro ukadani hodnot DIMenergie1TABLEkroku11timeE zapsani nulovych hodnot na zacatek vektoru vysledku energie1(00)=0 energie1(01)=0 cyklus ve kterem se nacitaji vysledky jednotlivych kroku simulace doi1kroku1 APPEND 1 i nacteni daneho kroku eseltype1 vybrani elementu typu 1 GET e_count1 ELEM count vraci mnozstvi elementu daneho typu GET e_next ELEM 0 NXTH vraci nejnizsi adresu elementu daneho typu v promenne e_next energ1=0 vynulovani promenne cyklus ktery postupne prochazi vsechy elementy daneho typu doj1e_count11 GET e_energ1 ELEM e_next SENE ulozi do promene e_energ1 mnozstvi energie v elementu s adresou e_next
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
46
GET e_next ELEM e_next NXTH posune adresu elementu o jedna energ1=energ1+e_energ1 pricte mnozstvi energie e_energ1 do kumulativni promnenne energ1 enddo konec vnitrniho cyklu energie1(i0)=i zapise do pole vysledku cislu jirju simulace energie1(i1)=energ1 zapise do pole vysledku mnozstvi energie v cele plose s elementy daneho typu enddo konec vnejsiho cyklu zapis_energ zavolani makra pro zapis vysledku do souboru
422 Hodnoceniacute vyacutesledk ů V jednotlivyacutech sektorech se provedla suma magnetickeacute energie pro každyacute krok
simulace Vyacutesledkem jsou průběhy množstviacute energie v daneacute ploše v zaacutevislosti na krociacutech
simulace (čase) Jednotliveacute varianty byly hodnoceny na zaacutekladě porovnaacuteniacute průběhů se
staacutevajiacuteciacutem detektorem
Energie v Tx vinutiacute
000E+00
100E-03
200E-03
300E-03
400E-03
500E-03
600E-03
700E-03
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 429 Energie v Tx vinutiacute
Na grafu (obr 429) je vidět že množstviacute energie v Tx vinutiacute neniacute zaacutevisleacute na geometrii a je
daacuteno budiacuteciacutem signaacutelem v Tx vinutiacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
47
Energie unit ř detektoru
000E+00
200E-02
400E-02
600E-02
800E-02
100E-01
120E-01
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 430 Energie uvnitř detektoru
Na obr 430 je znaacutezorněno množstviacute energie v prostoru detektoru do ktereacuteho neniacute
započiacutetaacutena detekčniacute oblast ta je zobrazena na obr 432 V teacuteto čaacutesti neniacute pozorovaacutena žaacutednaacute
vyacuteraznaacute změna
Energie v nerezoveacutem obalu
000E+00
500E-05
100E-04
150E-04
200E-04
250E-04
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 431 Energie v nerezoveacutem obalu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
48
Vyacuteraznějšiacute změny se odehraacutevajiacute v nerezoveacutem obalu Nejmenšiacute množstviacute energie je v klasickeacute
3 mm tlusteacute a v 5 mm tlusteacute variantě U klasickeacute varianty se stiacuteněniacutem a u novyacutech naacutevrhů je
naacuterůst způsoben přibliacuteženiacutem nerezu k Tx vinutiacute
Energie v prostoru detek čniacuteho otvoru
000E+00
500E-03
100E-02
150E-02
200E-02
250E-02
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 432 Energie v prostoru detekčniacuteho otvoru
V oblasti detekčniacuteho otvoru je snaha o uchovaacuteniacute co největšiacuteho množstviacute energie neboť
zmenšeniacute energie vede ke sniacuteženiacute odezvy na kontaminant tedy ke sniacuteženiacute citlivosti detektoru
Z obr 432 je patrneacute že geometrickeacute uacutepravy detektoru (3 mm se stiacuteněniacutem novy 1 a novy 2)
vedou ke sniacuteženiacute množstviacute energie v tomto prostoru
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
49
Energie v horniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
100E-07
200E-07
300E-07
400E-07
500E-07
600E-07
700E-07
800E-07
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 433 Energie v horniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Energie v dolniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
100E-07
200E-07
300E-07
400E-07
500E-07
600E-07
700E-07
800E-07
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 434 Energie v dolniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Porovnajiacute-li se obr 433 a 434 je u variant 1 - 3 možneacute pozorovat rozdiacutely mezi horniacute a dolniacute
plochou Je zde na prvniacute pohled vidět jak horniacute oblouk snižuje množstviacute energie unikajiacuteciacute do
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
50
okoliacute Jako uacutečinneacute se z pohledu těchto sektorů jeviacute varianta klasickeacuteho detektoru se stiacuteněniacutem a
novyacute naacutevrh s dvojityacutemi stěnami
Energie v praveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
500E-06
100E-05
150E-05
200E-05
250E-05
300E-05
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 435 Energie v praveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Energie v leveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
500E-06
100E-05
150E-05
200E-05
250E-05
300E-05
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 436 Energie v leveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
51
Pravyacute a levyacute sektor je z důvodů symetrie stejnyacute na obrazciacutech 435 a 436 lze pozorovat tzv
metal free zoacutenu kteraacute se u detektorů udaacutevaacute Jednaacute se o prostor před a za detekčniacutem otvorem
ve ktereacutem se nesmiacute nachaacutezet žaacutednyacute kovovyacute materiaacutel (z důvodu ovlivňovaacuteniacute pole) snahou je
tuto zoacutenu co nejviacutece zmenšit Z grafů je patrneacute že novyacute naacutevrh s dvojityacutemi stěnami vykazuje
nejmenšiacute množstviacute energie v teacuteto oblasti Naopak u klasickeacute varianty se stiacuteněniacutem došlo k
vytlačeniacute pole z vnitřku detektoru praacutevě do těchto okolniacutech zoacuten
Na zaacutekladě těchto poznatků bude provedeno ověřeniacute na skutečnyacutech zařiacutezeniacutech Mezi
použitelneacute varianty připadaacute klasickaacute konstrukce doplněnaacute o stiacuteněniacute a novyacute naacutevrh s dvojityacutemi
stěnami U toho je však velkaacute hrozba sniacuteženiacute citlivosti způsobeneacute menšiacutem množstviacutem energie
v detekčniacutem prostoru
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
52
5 Zaacutevěr Ciacutelem předklaacutedaneacute praacutece je zlepšeniacute činnosti detektorů kovů přiacutepadně uacuteprava
technologie vyacuteroby při současneacutem sniacuteženiacute vyacuterobniacutech naacutekladů Předpokladem uacutespěšnyacutech
naacutevrhů byla podrobnaacute studie činnosti a principu těchto zařiacutezeniacute kteraacute jsou vyacuterobcem po
několik let uacutespěšně prodaacutevaacutena na světovyacutech trziacutech
Na zaacutekladě těchto požadavků byly provedeny některeacute testy ktereacute měly ověřit
předpoklaacutedanaacute zlepšeniacute Nejširšiacute možnosti přinaacutešiacute modelovaacuteniacute magnetickeacuteho pole
průmyslovyacutech detektorů počiacutetačovou simulaciacute kteraacute je zatiacutem schopna řešit zadaneacute probleacutemy
v dvourozměrneacutem prostoru Nejčastěji řešeneacute probleacutemy jsou staacutele spojeny se zaacutekladniacutem
principem činnosti těchto zařiacutezeniacute tj vlivem a působeniacutem kontaminantu na
elektromagnetickeacute pole buzeneacute ciacutevkami uvnitř detektoru a nepřiacuteznivyacute vliv vnějšiacutech rušivyacutech
poliacute např při současneacute činnosti sousedniacutech detektorů Dalšiacutem zdrojem rušivyacutech magnetickyacutech
poliacute může byacutet i činnost a přiacutetomnost různyacutech elektrickyacutech zařiacutezeniacute probleacutem spojenyacute s
vhodnyacutem materiaacutelem a tvarem stiacuteněniacute těchto zařiacutezeniacute
Vzhledem k maximaacutelniacute citlivosti elektronickyacutech obvodů a požadovaneacute pečlivosti při
balancovaacuteniacute (vyvažovaacuteniacute) se vyskytuje probleacutem kteryacute souvisiacute se staacutelostiacute nastaveniacute detektoru
při mechanickeacutem otřesu přiacutepadně odstraněniacute změn ke kteryacutem dochaacuteziacute vlivem dopravy
Dalšiacutem plaacutenovanyacutem krokem je namodelovaacuteniacute probleacutemu v trojrozměrneacutem prostoru od
ktereacuteho je očekaacutevaacuteno zohledněniacute dalšiacutech vlivů a tiacutem zpřesněniacute samotneacuteho vyacutesledku
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
53
6 Použitaacute literatura [1] Internetoveacute straacutenky společnosti Loma Systems sro
httpwwwlomacom_czindexshtml
[2] Haacutejek J Jarchovskyacute Z Detektory kovů - naacutevod na stavbu nakladatelstviacute BEN Praha
2010
[3] Beneda L Detektory kovů bakalaacuteřskaacute praacutece ZČU Plzeň 2010
[4] Internetoveacute straacutenky společnosti Ad controls sro
httpwwwadcontrolsczdetektory_kovu_zakladni_pojmy
[5] KOVOHUTĚ ROKYCANY as COMTES FHT as MATEX sro Průběžnaacute
zpraacuteva k projektu FeNi - čj 1021207 - 32 za rok (2007 - 2009)
[6] Ansys Inc ANSYS HELP Release 130 Dokumentace k programu
[7] Karban P a kolektiv autorů Aplikace teoretickeacute elektrotechniky Skripta ZČU Plzeň
2011
[8] Benešovaacute Z Ulrych B Přiacuteručka pro použitiacute programů ve vyacuteuce teorie
elektromagnetickeacuteho pole Skripta ZČU Plzeň 1997
[9] Loma Systems sro Knowledge Base - Interniacute dokumentace společnosti
[10] Internetoveacute straacutenky společnosti Aerospace specification metals Inc
httpasmmatwebcomsearchSpecificMaterialaspbassnum=MQ304A
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
1
7 Přiacutelohy
71 Tvorba geometrie PREP7 prepnuti do rezimu preprocesingu jj=8 index polohy kontaminantu r1=05e-3 polomer Tx vodice 05 mm r2=15e-3 polomer kontaminantu 15 mm c=90e-3 sirka Rx civek h=1767e-3 vzdalenost mezi Tx vinutim hrx=(h2)+526e-3 zakladni vyskova poloha mezi Rx civkami hss=175e-3 vyska nerezoveho krytu wss=150e-3 sirka nerezoveho krytu tss=3e-3 tloustka nerezove steny hd=h-227e-3 vyska detekcniho otvoru wok=1000e-3 sirka vzduchoveho okoli hok=1000e-3 vyska vzduchoveho okoli wkon=(-250e-3)+(jj20e-3) poloha kontaminantu na ose X tvorba geometrickych bodu nerezoveho krytu K1022589e-30 K2022185e-30 K3-7907e-321208e-30 K4-78e-32085e-30 K57907e-321208e-30 K678e-32085e-30 K7-wsshss0 K8-wss+tsshss-tss0 K9wsshss0 K10wss-tsshss-tss0 K11-wss-hss0 K12-wss+tss-hss+tss0 K13wss-hss0 K14wss-tss-hss+tss0 vytvoreni ploch definovanymi body FLST273 FITEM27 FITEM23 FITEM21 FITEM25 FITEM29 FITEM213 FITEM211 AP51X FLST273 FITEM28 FITEM24 FITEM22 FITEM26 FITEM210 FITEM214 FITEM212 AP51X CYL40h2r1 plocha horniho Tx vodice CYL40-h2r1 ploch dolniho Tx vodice BLC50((h2)+hrx)2100e-310e-3 plocha horniho vzduchoveho okoli Tx vodice BLC50-((h2)+hrx)2100e-310e-3 plocha dolniho vzduchoveho okoli Tx vodice BLC5002wsshd plocha detekcniho ootvoru APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch odstraneni ploch ktere budou sjednoceny se vzduchovym okolim
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
2
FLST255ORDE4 FITEM210 FITEM2-12 FITEM215 FITEM218 ADELEP51X BLC500wokhok vytvoreni plochy vzduchoveho okoli APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch CYL4wkon0r2 vytvoreni plochy kontaminantu APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch konec tvorby geometrickeho modelu
72 Definice element ů materiaacutel ů a jejich p řiřazeniacute k plochaacutem definovani materialu MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX11 material 1 Tx permeabilita 1 MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX21 material 2 Air permeabilita 1 MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX31008 material 3 nerezovy kryt SS ANSI 304 permeabilita MPTEMP MPTEMP10 MPDATARSVX372e-7 material 3 nerezoovy kryt SS Ansi 304 rezistivita MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX4400 material 4 Kontaminant permeabilita MPTEMP MPTEMP10 MPDATARSVX4102e-7 material 4 Kontaminant rezistivita definovani elementu ET153 Tx civky ET253 Vzduch ET353 nerezovy kryt ET453 kontaminant nastaveni elementu KEYOPT110 Tx civky KEYOPT120 KEYOPT130 KEYOPT140 KEYOPT150 KEYOPT170 KEYOPT210 Air KEYOPT220 KEYOPT230 KEYOPT240 KEYOPT250 KEYOPT270 KEYOPT310 SS KEYOPT320 KEYOPT330 KEYOPT340 KEYOPT350
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
3
KEYOPT370 KEYOPT410 kontaminant KEYOPT420 KEYOPT430 KEYOPT440 KEYOPT450 KEYOPT470 prirazeni elementu a materialum k plocham FLST525ORDE2 Tx FITEM58 FITEM5-9 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 1 1 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 FLST535ORDE3 Air FITEM53 FITEM516 FITEM5-17 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 2 2 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 FLST525ORDE2 SS FITEM513 FITEM5-14 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 3 3 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 CM_YAREA kontaminant ASEL 1 CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 4 4 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
4
73 Siacuteťovaacuteniacute oblastiacute FLST275ORDE7 FITEM21 FITEM28 FITEM2-9 FITEM213 FITEM2-14 FITEM216 FITEM2-17 AESIZEP51X00005 nastaveni delky steny elementu 00005 m FLST215ORDE1 FITEM23 AESIZEP51X001 nastaveni delky steny elementu 001 m MSHAPE12D nastaveni 2D trojuhelnikove site MSHKEY0 FLST585ORDE8 FITEM51 FITEM53 FITEM58 FITEM5-9 FITEM513 FITEM5-14 FITEM516 FITEM5-17 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CHKMSHAREA CMSELS_Y AMESH_Y1 spusteni automatickeho sitovani CMDELE_Y CMDELE_Y1 CMDELE_Y2
74 Okrajovaacute podmiacutenka a nastaveniacute budiciacuteho pr ůběhu okrajova podminka FLST244ORDE4 FITEM214 FITEM212 FITEM27 FITEM25 DLP51X AZ0 nastaveni zatizeni parametry budici proudove hustoty f=35e3 frekvence signalu [Hz] part=600 pocet kroku signalu T_min=0 pocatek casove osy T_max=1f konec casove osy dt=T_maxpart casovy krok parametry prudove hustoty pi=4atan(1) s=pir12 I=600sqrt(2) N1=1 J1_a=IN1s definovani vzestupne casti pulsu tau=3 DIMJexTABLE5011timeJ Jex(11)=0
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
5
Jex(10)=0 doi2501 Jex(i1)=(J1_a)(1-exp(-itau)) Jex(i0)=(i) enddo definovani sestupne casti pulsu tau=3 DIMJex1TABLE5011timeJ Jex1(11)=J1_a Jex1(10)=0 doi2501 Jex1(i1)=(J1_a)(exp(-itau)) Jex1(i0)=(i) enddo sestaveni celeho pulsu DIMJex2TABLE10011timeJ Jex2(11)=0 Jex2(10)=0 doi2501 Jex2(i1)=Jex(i1) Jex2(i0)=(i) enddo doi511001 Jex2(i1)=Jex1(i-501) Jex2(i0)=(i) enddo priprava nulovych vektoru kladneho a zaporneho prubehu J DIMJ1TABLE60011timeJ DIMmJ1TABLE60011timeJ doi16001 J1(i0)=(i-1)dt time J1(i1)=0 J mJ1(i0)=(i-1)dt time mJ1(i1)=0 -J enddo vlozeni prvniho pulsu doi11001 J1(i1)=Jex2(i1) mJ1(i1)=-Jex2(i1) enddo vlozeni druheho pulsu doi3004001 J1(i1)=-Jex2(i-3001) mJ1(i1)=Jex2(i-3001) enddo prirazeni prubehu k plocham PREP7 FLST215ORDE1 FITEM28 BFAP51XJSJ1 FLST215ORDE1 FITEM29 BFAP51XJSmJ1
75 Nastaveniacute analyacutezy SOL prepnuti do Solution modu - nastaveni analyzy kroku=300 pocet kroku simulace ANTYPE4 TRNOPTFULL
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
6
NSUBSTkroku00 OUTRESERASE OUTRESALL1 TIMET_max solve spusti vypocet ulohy
76 Postprocessing POST1 prepne do Preprocesing modu krokyb=200 pocet kroku na delku coilgapu L=03 delka Rx snimace hrx1=(h2)+10e-3 jednotlive vyskove pozice Rx vinuti hrx2=(h2)+526e-3 hrx3=(h2) hrx4=((h2)-526e-3) hrx5=((h2)-10e-3) vytvoreni pole hodnot - 10 sloupcu x 300 radku sloupce odpovidaji poctu jednotlivych civek 2x5 (5 poloh horni a dolni civka) DIMTOKTABLEkroku101SUBSTEP TOK(00)=0 TOK(01)=0 TOK(02)=0 TOK(03)=0 TOK(04)=0 TOK(05)=0 TOK(06)=0 TOK(07)=0 TOK(08)=0 TOK(09)=0 TOK(010)=0 dok1kroku1 hlavni cyklus pocet cyklu odpovida poctu kroku analyzy APPEND 1 k nacteni k-teho kroku analyzy tato cast kodu je nutna pro kazdou civku zvlast (10x se opakuje) PATHHORNI26krokyb-1 definovani cesty horni civky PPATH10-c2hrx10 levy koncovy bod PPATH20c2hrx10 pravy koncovy bod PDEF BYAVG namapovani Y-slozky magneticke indukce B PCALCINTGINT_HORBYXGL vypocet integralu z By podle dX PBCPATH 0 PAGETHORNI1_TABL ulozeni hodnot ziskanych na definovane ceste do pole HORNI1_ PADELALL smazani cesty i s hodnotamy (pole HORNI1_ zustava) konec opakujici se casti prirazovani posledni hodnoty integralu do prislusneho pole vysledku TOK(k0)=k casova osa TOK(k1)=HORNI1_(krokyb6) TOK(k2)=DOLNI1_(krokyb6) TOK(k3)=HORNI2_(krokyb6) TOK(k4)=DOLNI2_(krokyb6) TOK(k5)=HORNI3_(krokyb6) TOK(k6)=DOLNI3_(krokyb6) TOK(k7)=HORNI4_(krokyb6) TOK(k8)=DOLNI4_(krokyb6) TOK(k9)=HORNI5_(krokyb6) TOK(k10)=DOLNI5_(krokyb6) DELPRM_ smaze vsechny pole vysledku koncici znakem _ enddo konec cyklu zapis_tok odkaz na skript pro zapsani pole vysledku do souboru txt
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
7
77 Makro Vyacutepis makra ktereacute uklaacutedaacute hodnoty do souboru tok_fitxt
MWRITETOK(111)tok_fitxt vytvori soubor tok_fitxt a ulozi do
nej matici vysletku TOK
(10E135) urcuje format zapisu hodnot - 10
sloupcu cisel o celkove delce 13ti
znaku z toho 5 za desetinou teckou
CFCLOS uzavre soubor
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
8
Eviden čniacute list
Souhlasiacutem s tiacutem aby moje bakalaacuteřskaacute praacutece byla půjčovaacutena k prezenčniacutemu studiu v
Univerzitniacute knihově ZČU v Plzni
Datum Podpis
Uživatel stvrzuje svyacutem čitelnyacutem podpisem že tuto bakalaacuteřskou praacuteci použil ke studijniacutem
uacutečelům a prohlašuje že ji uvede mezi použityacutemi prameny
Jmeacuteno Fakultakatedra Datum Podpis
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
14
vysiacutelaneacutemu v intervalu
20π
[2]
Obr 24 Průběhy napětiacute UV ndash vysiacutelaneacute napětiacute UPF ndash ideaacutelniacute přijiacutemaneacute napětiacute (feromagnetickyacute materiaacutel) UPN ndash ideaacutelniacute přijiacutemaneacute napětiacute (neferomagnetickyacute materiaacutel) UP ndash skutečneacute přijiacutemaneacute napětiacute [2]
Existujiacute různeacute možnosti dociacuteleniacute nuloveacuteho klidoveacuteho přenosu mezi ciacutevkami Zaprveacute
prostorovyacutem odděleniacutem kdy osy ciacutevek mezi sebou sviacuterajiacute uacutehel 90deg vysiacutelaciacute ciacutevka je uložena
svisle a přijiacutemaciacute ciacutevka vodorovně obr 25 Tyto detektory byly nazyacutevaacuteny bdquoTwo boxldquo [2]
Obr 25 Princip prostoroveacuteho uspořaacutedaacuteniacute 90deg ciacutevek [2]
V druheacutem přiacutepadě jsou obě ciacutevky uloženy vodorovně ale jejich prostoroveacute uspořaacutedaacuteniacute se voliacute
takoveacute aby byla vzaacutejemnaacute indukčnost nulovaacute Toho je dociacuteleno tiacutem že přijiacutemaciacute ciacutevkou
U (V)
t (s)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
15
prochaacuteziacute stejneacute množstviacute siločar vysiacutelaciacute ciacutevky v jednom i druheacutem směru a tiacutem dochaacuteziacute ke
kompenzaci (vyrušeniacute) jejich uacutečinku obr 26
Obr 26 Princip prostoroveacuteho uspořaacutedaacuteniacute překryacutevajiacuteciacutech se ciacutevek [2]
Společnosti vyraacutebějiacuteciacute průmysloveacute detektory kovů majiacute většinou sveacute specifickeacute uspořaacutedaacuteniacute
ciacutevek
Obr 27 Viacutece ciacutevkoveacute uspořaacutedaacuteniacute detektoru společnosti Ad controls sro a jeho skutečneacute provedeniacute [4]
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
16
Obr 28 Třiacute ciacutevkoveacute uspořaacutedaacuteniacute detektoru společnosti Loma Systems sro
Kvalita detektoru je daacutena předevšiacutem ciacutevkovou soustavou a neměnnostiacute jejiacutech vlastnostiacute a daacutele
volbou pracovniacuteho kmitočtu Špičkou mezi dnešniacutemi detektory jsou zařiacutezeniacute umožňujiacuteciacute
činnost při různyacutech budiacuteciacutech kmitočtech Vyacutehodou těchto systeacutemů je možnost použiacutevat viacutece
zařiacutezeniacute bliacutezko u sebe a hlavně možnost použitiacute různyacutech frekvenciacute pro rozdiacutelneacute produkty s
ohledem na citlivost a kvalitu detekce
3 Zařiacutezeniacute spole čnosti Loma Systems sro Podmiacutenkou k dalšiacute vyacutevojoveacute činnosti je podrobnaacute znalost vyraacuteběnyacutech zařiacutezeniacute a
vyacuterobniacutech technologiiacute v daneacutem podniku
Obr 31 Detektor kovů IQ3 s dotykovyacutem ovlaacutedaacuteniacutem společnosti Loma Systems sro [1]
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
17
31 Obecneacute informace Jsou vyraacuteběny dva typy detektorů ktereacute pracujiacute na stejneacutem principu ale lišiacute se
vysiacutelaciacutemi průběhy budiacuteciacuteho napětiacute a možnostiacute pracovat na různyacutech kmitočtech
Staršiacute model označenyacute jako IQ2 je vyraacuteběnyacute ve třech variantaacutech jako farmaceutickyacute
detektor detektor s volnyacutem propadem produktu nebo detektor s produktem dopravovanyacutem
potrubiacutem Posledniacute dva jmenovaneacute jsou takeacute vyraacuteběny na zaacutekladě technologie IQ3 Tento
systeacutem umožňuje činnost detektoru na různyacutech budiacuteciacutech kmitočtech a je použit hlavně u
dopravniacutekovyacutech detektorů Detektor IQ2 pracuje na neměnneacute frekvenci 1 MHz
Dopravniacutekoveacute detektory jsou vyraacuteběny ve dvou variantaacutech normaacutelniacute (detekčniacute otvor
maacute stěny opatřeneacute vrstvou modreacuteho epoxidu) a detektory pro extreacutemně nepřiacutezniveacute podmiacutenky
(stěny detekčniacuteho otvoru jsou pokryty odolnyacutem plastem) ktereacute odolaacutevajiacute i vysokotlakeacutemu
vodniacutemu čištěniacute Obě varianty jsou vhodneacute i pro použitiacute v potravinaacuteřskeacutem průmyslu
Všechny detektory jsou schopny pracovat při siacuteťoveacutem napětiacute 110115200220230 V
50 nebo 60 Hz 1f 380400 V 5060 Hz 3f a majiacute stupeň krytiacute IP 69K což umožňuje uacutedržbu
vysokotlakyacutemi vodniacutemi čističi Ovlaacutedaacuteniacute a komunikace s detektorem je zajištěna LCD
displejem s tlačiacutetky nebo displejem dotykovyacutem Každyacute detektor je vybaven releacuteovyacutemi
vyacutestupy jimiž je možno ovlaacutedat chod dopravniacuteku vyřazovaciacute systeacutem signalizačniacute lampy či
klakson
Detektor jako takovyacute se sklaacutedaacute z jedneacute čaacutesti kde je jak samotnyacute detekčniacute otvor tak i
veškeraacute elektronika Detekčniacute otvor tvořiacute jaacutedro z tvrzeneacuteho papiacuteru (Tufnol) do ktereacuteho jsou
vlepeny vodiče ciacutevek Stěny detekčniacuteho otvoru jsou opatřeny modryacutem epoxidem nebo biacutelyacutem
polyethylenem (Acetal) kteryacute maacute většiacute mechanickou odolnost Celeacute zařiacutezeniacute je uzavřeno v
obalu z nerezoveacute oceli ANSI 304 (DIN 14301) tloušťky 3 mm Prostor mezi jaacutedrem a
nerezovyacutem obalem je vyplňovaacuten pěnivyacutem epoxidem
Elektronika detektoru obsahuje tři desky plošnyacutech spojů a ovlaacutedaciacute displej Hlavniacute
čaacutestiacute je řiacutediacuteciacute deska (Control board) na ktereacute se nachaacuteziacute blok napaacutejeciacuteho zdroje
vyhodnocovaciacute obvody paměti AD převodniacuteky signaacutelu a vstupniacutevyacutestupniacute obvody Dalšiacutemi
čaacutestmi jsou vysiacutelaciacute deska (Transmitter board) a deska přijiacutemače (Receiver board)
32 Vysiacutelaciacute čaacutest - Tx Postupneacute upouštěniacute od vyacuteroby zastaraleacute verze detektorů IQ2 je důvodem pro zaměřeniacute
teacuteto praacutece na detektory IQ3 Systeacutem IQ3 je multifrekvenčniacute založenyacute na balančniacutem principu
Oproti standardniacutem balančniacutem detektorům je zde vysiacutelaciacute ciacutevka buzena nespojityacutem signaacutelem
Vyacutehodou použitiacute tohoto signaacutelu je snadnaacute změna frekvence možnost řiacutezeniacute vysiacutelaciacuteho vyacutekonu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
18
a celkoveacute zvyacutešeniacute kvality detekce neboť rychlyacutem změnaacutem budiacuteciacuteho proudu odpoviacutedaacute velkaacute
změna magnetickeacuteho indukčniacuteho toku Dle Faradayova indukčniacuteho zaacutekona je velikost
indukovaneacuteho napětiacute daacutena rychlostiacute změny magnetickeacuteho indukčniacuteho toku (31)
tU i ∆
∆Φminus= (31)
Činnost Tx boardu (vysiacutelaciacute desky) je řiacutezena mikrokontrolerem kteryacute komunikuje s
Control boardem seacuteriovyacutem rozhraniacutem Deska umožňuje kontrolu napaacutejeniacute vysiacutelaciacuteho proudu
teploty a přiacutepadneacute přerušeniacute Tx vinutiacute (vysiacutelaciacute ciacutevky) Mikrokontroler řiacutediacute jak vysiacutelaciacute
průběh tak vyhodnocovaciacute obvody ktereacute jsou na Rx boardu (přijiacutemaciacute deska)
Na Tx board jsou přivaacuteděna napětiacute 12 V -12 V proti zemi použiacutevanaacute k buzeniacute Tx
vinutiacute Z kladneacuteho napětiacute se daacutele ziacuteskaacutevaacute napětiacute 33 V a 18 V pro napaacutejeniacute ostatniacutech obvodů
Budiacuteciacute signaacutel je kvůli požadovaneacutemu vysokeacutemu pulsniacutemu vyacutekonu odebiacuteraacuten z kondenzaacutetoroveacute
baterie Velikost odebiacuteraneacuteho proudu je měřena operačniacutem zesilovačem zapojenyacutem jako
převodniacutek IU
Vyacutekonovaacute čaacutest Tx boardu je tvořena čtyřmi MOSFET tranzistory řiacutezenyacutemi
mikrokontrolerem Vyacutekonoveacute tranzistory T1 až T4 jsou zapojeny dle obr 32
Obr 32 Zapojeniacute koncoveacute čaacutesti vysiacutelače
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
19
Vysiacutelaciacute ciacutevka je tvořena pouze jedniacutem zaacutevitem Cu draacutetu ϕ 1 mm jeho indukčnost a kapacita
je vzhledem k jeho vodivosti zanedbatelnaacute a při nižšiacutech frekvenciacutech se tedy chovaacute jako zkrat
Pokud je časovyacute posuv mezi U1 a U2 roven nule pak napětiacute UTX je takeacute rovno nule a Tx
ciacutevkou neteče žaacutednyacute proud obr 33
-12
-8
-4
0
4
8
12
16U1 (V)
-16
-12
-8
-4
0
4
8
12
16
000E+00 100E-05 200E-05 300E-05 400E-05 500E-05 600E-05
čas (s)
U2 (V)
Obr 331 Průběhy signaacutelů U1 a U2 přivaacuteděnyacutech na vyacutevody Tx vinutiacute V detektoru by se dala naměřit pouze elektrickaacute složka pole odpoviacutedajiacuteciacute původniacutemu signaacutelu
Pro detekci kovu je však důležiteacute elektromagnetickeacute pole kteraacute vznikaacute průchodem proudu
vinutiacutem Proudoveacuteho impulsu je dosaženo časovyacutem posunem mezi napětiacutemi U1 a U2
přivaacuteděnyacutemi na svorky Tx vinutiacute V tomto přiacutepadě potečou zkratoveacute proudoveacute pulsy
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
20
odpoviacutedajiacuteciacute připojeneacutemu napětiacute UTX viz obr 34 Vyacutekon detektoru je tedy řiacutezen časovyacutem
posunem mezi průběhy napětiacute U1 a U2 Tomuto časoveacutemu posuvu pak odpoviacutedaacute i velikost
odebiacuteraneacuteho proudu do Tx vinutiacute
-12
-8
-4
0
4
8
12
16U1 (V)
-12
-8
-4
0
4
8
12
16U2 (V)
000E+00 100E-05 200E-05 300E-05 400E-05 500E-05 600E-05
Čas (s)
I (A)
Obr 34 Časově posunutaacute napětiacute U1 U2 přivaacuteděnaacute na vyacutevody Tx vinutiacute a průběh proudu I v Tx vinutiacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
21
33 Přijiacutemaciacute čaacutest - Rx Zaacutekladem přijiacutemaciacute čaacutesti je soustava složenaacute ze dvou paralelně spojenyacutech Rx ciacutevek
podle obr 35 každaacute se dvěma zaacutevity U tohoto uspořaacutedaacuteniacute hraje důležitou roli smysl vinutiacute
Rx ciacutevek (označeniacute počaacutetku a konce vinutiacute) a jejich přesnaacute poloha Tx musiacute prochaacutezet přesně
v jedneacute polovině vzdaacutelenosti l
Obr 35 Geometrickeacute uspořaacutedaacuteniacute je voleno tak že pokud neprochaacuteziacute detektorem kontaminant napětiacute
indukovaneacute napaacutejenou ciacutevkou Tx do Rx ciacutevek je minimaacutelniacute
Jak bylo řečeno v kapitole 32 pro detekci kovu je podstatneacute elektromagnetickeacute pole
Elektrickeacute pole je odstraněno na primaacuterniacutem vinutiacute vstupniacuteho transformaacutetoru TR s dvojityacutem
primaacuterniacutem vinutiacutem zapojenyacutem proti sobě v poměru k sekundaacuterniacutemu vinutiacute 1+130 umiacutestěnyacutem
na Rx boardu Na obraacutezku 36 je zapojeniacute vstupniacuteho obvodu Rx boardu Elektrickaacute složka
pole maacute vůči zemi na obou vyacutevodech Rx ciacutevek stejnyacute průběh Primaacuterniacute vinutiacute TR maacute
vyvedenyacute střed na zem čiacutemž se elektrickaacute složka pole uzemniacute (teče proud) Protože jsou
Rx1 ciacutevka
Rx2 ciacutevka
Tx ciacutevka
l
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
22
průběhy na obou vyacutevodech stejneacute magnetickeacute toky v TR vyvolaneacute proudem působiacute proti sobě
a na sekundaacuterniacute vinutiacute se neindukuje žaacutedneacute napětiacute Dojde-li k narušeniacute magnetickeacuteho pole
uvnitř detekčniacuteho prostoru vznikaacute rozdiacutel naindukovaneacuteho napětiacute v leveacutem a praveacutem vodiči Rx
ciacutevky Tento rozdiacutel napětiacute maacute za naacutesledek tok proudu kteryacute se uzaviacuteraacute přes primaacuterniacute vinutiacute
TR1 a indukuje napětiacute na sekundaacuterniacute straně Toto napětiacute je daacutele zpracovaacutevaacuteno
Obr 36 Vstupniacute obvod Rx boardu
34 Princip vyhodnocovaacuteniacute Signaacutel na sekundaacuterniacutem vinutiacute transformaacutetoru TR je zpracovaacutevaacuten blokem obvodů pro
uacutepravu signaacutelu Ten obsahuje aktivniacute filtr a integračniacute člen s niacutezko-šumovyacutem operačniacutem
zesilovačem Za integračniacutem členem je měřiciacute bod kteryacute je využit při oživovaacuteniacute detektorů
Napětiacute Ub (balance signal) v tomto bodě se zobrazuje na osciloskopu a jeho maximaacutelniacute
hodnota by neměla přesaacutehnout 6 V špička - špička Čiacutem je rozkmit toho napětiacute nižšiacute tiacutem lze
dosaacutehnout vyššiacute citlivosti detektoru (kap 35 Vyvažovaacuteniacute detektoru) Nuloveacuteho rozkmitu
nelze dosaacutehnout mimo jineacute kvůli vyacuterobniacutem toleranciacutem zařiacutezeniacute a nehomogenitaacutem Citlivost
elektronickyacutech čaacutestiacute je velmi vysokaacute a uplatňujiacute se rušiveacute vlivy při jejich činnosti (vliv
teploty mechanickeacute chvěniacute) Napětiacute Ub odpoviacutedaacute vyrovnaacutevaciacutemu proudu v Rx ciacutevkaacutech
Přiacuteklad jeho průběhu bez kontaminantu je na obr 37
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
23
Obr 37 Přiacuteklad průběhu napětiacute Ub
Napětiacute Ub je přivaacuteděno na dva samostatneacute elektronickeacute obvody (řiacutezeneacute usměrňovače)
ovlaacutedaneacute řiacutediacuteciacutemi napětiacutemi z mikrokontroleru (na Tx boardu) Dvě řiacutediacuteciacute napětiacute jednoho
usměrňovače jsou vůči sobě o π posunuty a zaacuteroveň jsou posunuty o π2 proti dvěma řiacutediacuteciacutem
napětiacutem druheacuteho usměrňovače Vyacutesledkem jsou dva napěťoveacute signaacutely (P a Q) ktereacute jsou daacutele
zpracovaacutevaacuteny (integrace zesiacuteleniacute) s možnostiacute ručniacute volby zesiacuteleniacute ve čtyřech stupniacutech
(ovlaacutedaacuteniacute citlivosti detektoru) Tyto signaacutely jsou již nositelem informace a jsou na Control
boardu převedeny do digitaacutelniacute podoby Takto upraveneacute signaacutely jsou vyhodnocovaacuteny
algoritmy v hlavniacutem mikrokontroleru
35 Vyvažovaacuteniacute detektoru Zaacutekladem kvalitniacute a stabilniacute detekce je ciacutevkovyacute systeacutem Aby se dosaacutehlo co nejlepšiacuteho
vyvaacuteženiacute ciacutevek je nutnaacute přesnaacute bytelnaacute a rozměrově staacutelaacute konstrukce Detektory společnosti
Loma Systems sro majiacute ciacutevky uloženeacute ve vyfreacutezovanyacutech draacutežkaacutech a zajištěneacute epoxidovyacutem
lepidlem I přes to je detektor po osazeniacute elektronikou značně nevyvaacuteženyacute balančniacute napětiacute Ub
překračuje požadovanou hodnotu 6 V špička - špička natolik že může dojiacutet i k saturaci
elektronickyacutech obvodů Je tedy nutneacute ciacutevkovyacute systeacutem vyvaacutežit (vybalancovat)
Nejprve se provede hrubeacute laděniacute spočiacutevajiacuteciacute v tvarovaacuteniacute maleacute smyčky Tx vinutiacute v čele
detektoru obr 38
0 T2 T
25 V Ub
-25 V
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
24
Obr 38 Vyvažovaciacute očko na Tx vinutiacute a vlepenyacute pliacutešek uvnitř detekčniacuteho otvoru
Tato smyčka plniacute funkci kompenzačniacuteho vinutiacute po natvarovaacuteniacute je očko zaliteacute epoxidovyacutem
lepidlem U detektorů s vnitřniacute uacutepravou detekčniacuteho otvoru modryacutem epoxidem se do
detekčniacuteho otvoru daacutele vlepujiacute vyvažovaciacute pliacutešky různyacutech tvarů a velikostiacute (od 1 cm2 do 4
cm2) obr 38 ktereacute se naacutesledně zalijiacute do roviny modryacutem epoxidem Jako materiaacutel
vyvažovaciacutech pliacutešků je použita nerezovaacute ocel ANSI 304 (DIN 14301) tloušťky 2 mm Druhyacute
typ detektorů s odolnyacutem plastovyacutem povrchem (typ US) neumožňuje vlepovaacuteniacute pliacutešků
dovnitř detekčniacuteho otvoru Balancovaacuteniacute se tedy provaacutediacute přesnějšiacutem tvarovaacuteniacutem Tx očka
popřiacutepadě vlepovaacuteniacutem pliacutešků v jeho okoliacute
Pro jemneacute doladěniacute se u obou těchto variant (US typ a klasickyacute s modrou epoxidovou
vyacuteplniacute detekčniacuteho otvoru) osazujiacute balančniacute moduly obr 39 ktereacute na plastoveacutem otočneacutem diacutelu
majiacute tuning block o rozměrech cca 05 cm2 z 5 mm tlusteacuteho nerezu Oba balančniacute moduly
umožňujiacute pohyb tuning blocku v okoliacute vyvažovaciacuteho očka
Obr 39 Balančniacute moduly i s kryciacutemi plechy vlevo US vpravo klasickyacute
Tyto moduly nejsou přiacuteliš efektivniacute a sloužiacute pouze k miacuterneacutemu vyvaacuteženiacute Použiacutevajiacute se dva typy
Tuning block
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
25
těchto modulů podle varianty vnitřniacute vyacuteplně detektoru (US typ a klasickyacute s modrou
epoxidovou vyacuteplniacute detekčniacuteho otvoru) Jedniacutem z přijatyacutech naacutevrhů pro vylepšeniacute detektorů s
modrou epoxidovou vyacuteplniacute je použitiacute stejneacuteho balančniacuteho modulu jako u detektoru typu US
Vyacuterobniacute cena US balančniacuteho modulu je podstatně nižšiacute a umožňuje změnu polohy
vyvažovaciacuteho diacutelu nejen po obvodu kružnice ale i změnu vzdaacutelenosti mezi rovinami očka a
tuning bloku Změna teacuteto vzdaacutelenosti se využije v přiacutepadě kdy po osazeniacute detektoru s modrou
epoxidovou pryskyřiciacute balančniacutem modulem dojde ke zhoršeniacute vyvaacuteženiacute ktereacute pouhyacutem
natočeniacutem po kružnici nelze vykompenzovat Použiacutevaacuteniacutem pouze balančniacuteho modulu typu
US by se dosaacutehlo sniacuteženiacute počtu součaacutestek ve vyacuterobniacutem procesu sniacuteženiacute naacutekladů na vyacuterobu
detektoru s modrou epoxidovou vyacuteplniacute detekčniacuteho prostoru a odstranil by se i probleacutem
vznikajiacuteciacute při osazeniacute těchto detektorů balančniacutemi moduly
Dalšiacute naacutevrh se tyacutekal materiaacutelu použiteacuteho na tuning block Snahou bylo zvyacutešit vliv
tuning bloku natolik aby bylo možneacute vynechat kompenzačniacute očko čiacutemž by došlo k urychleniacute
laděniacute Byly testovaacuteny materiaacutely FeNi47ln5 tloušťky 03 mm a FeNi42 tloušťky 04 mm Byl
zvolen tvar kteryacute umožňoval použitiacute staacutevajiacuteciacutech US modulů obr 310 Vliv tuning blocků
se sice zvyacutešil nicmeacuteně ne natolik aby mohlo byacutet vyvažovaciacute očko zcela vynechaacuteno
Obr 310 Prototypy tuning blocků z novyacutech materiaacutelů
36 Vyacutestupniacute kontrola Před samotnou expediciacute detektoru je nutneacute proveacutest kontrolu detekce Kvalita detekce
je ověřovaacutena třemi typy kontaminantů neželeznyacute - NONFE (mosaz) železnyacute - FE (chromovaacute
ocel) a nerezovyacute - SS (ANSI 304) K tomu jsou určeny přiacutepravky na obr 311 a 312 Jednaacute
se o kuličky definovanyacutech průměrů ktereacute jsou zaliteacute v plastovyacutech tyčinkaacutech opatřenyacutech
rozměrovou specifikaciacute kontaminantu Barva tyček odlišuje použityacute typ kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
26
Obr 311 Testovaciacute vzorky pro dopravniacutekoveacute detektory
Obr 312 Testovaciacute vzorky pro farmaceutickeacute detektory
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
27
4 Optimalizace a stiacuten ěniacute detektoru Jedniacutem z bodů teacuteto praacutece je navrženiacute optimalizaciacute průmysloveacuteho detektoru kovu z
hlediska kvality detekce a vyšetřeniacute elektromagnetickeacuteho pole s ohledem na rušiveacute vlivy Z
počaacutetku byly provaacuteděny pokusy se stiacuteněniacutem ciacutevek s ohledem na rušeniacute vnějšiacutem
elektromagnetickyacutem polem Prvniacute uacutevahy vedly k použitiacute stiacuteniacuteciacuteho materiaacutelu s velkou
permeabilitou kteryacute by do sebe soustředil většiacute množstviacute indukčniacutech čar unikajiacuteciacutech do okoliacute
a tiacutem omezil vnějšiacute rušeniacute Na zaacutekladě teacuteto uacutevahy byly testovaacuteny dva materiaacutely FeNi47ln5
tloušťky 03 mm a FeNi42 tloušťky 04 mm ktereacute mohou dosahovat relativniacute permeability až
micror_12106 [5] Těmito pokusy se sice sniacutežilo množstviacute indukčniacutech čar magnetickeacuteho pole
unikajiacuteciacuteho z detektoru ale vlivem přiacuteliš velkeacute permeability bylo ovlivněno i pole uvnitř
detekčniacuteho prostoru kde došlo ke sniacuteženiacute citlivosti Tento naacutevrh měl dalšiacute negativniacute faktory
jako je vysokaacute cena použityacutech materiaacutelů a omezeneacute vyacuterobniacute možnosti nedostačujiacuteciacute šiacuteřkou
paacutesů což by vedlo ke sklaacutedaacuteniacute plechů vedle sebe a tiacutem ke vzniku nehomogenit
Aby byly optimalizace efektivniacute je třeba znaacutet rozloženiacute elektromagnetickeacuteho pole
uvnitř detektoru a vlivy ktereacute na něj působiacute Proto bylo přistoupeno k využitiacute počiacutetačoveacuteho
softwaru Ansys Jednaacute se o profesionaacutelniacute software založenyacute na metodě konečnyacutech prvků Je
určen předevšiacutem pro simulace mechanickeacuteho namaacutehaacuteniacute ale umožňuje i řešeniacute teplotniacutech
elektromagnetickyacutech a sdruženyacutech poliacute [6] Ansys byl vybraacuten předevšiacutem pro možnost řešeniacute i
3D probleacutemů V teacuteto praacuteci bylo z důvodů vyacutepočetniacute naacuteročnosti a velkeacuteho množstviacute
jednotlivyacutech vyacutepočtů přistoupeno k řešeniacute probleacutemu pouze ve dvourozměrneacutem prostoru V
tomto přiacutepadě je řešeno nestacionaacuterniacute magnetickeacute pole ktereacute popisuje rovnice (41) [7]
( ) extr JArotdt
dABArotrot =timesminus+
minus γυγmicro1
(41)
kde
BArot = (42)
A magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel
micro permeabilita
Br remanentniacute indukce
B magnetickaacute indukce
γ měrnaacute elektrickaacute vodivost
ν rychlost pohybu tělesa v magnetickeacutem poli
Jext vektor vnějšiacute proudoveacute hustoty
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
28
41 Vyšet řovaacuteniacute vlivu pozice Rx vinutiacute Nejprve byly provedeny simulace staacutevajiacuteciacuteho zařiacutezeniacute o rozměrech detekčniacuteho otvoru
150 mm x 350 mm Zaacutekladniacute geometrie probleacutemu je na obraacutezku 41 Pro řešeniacute zaacutekladniacuteho
probleacutemu by bylo možneacute použiacutet symetrii modelu pokud však model doplniacuteme o kontaminant
možnost teacuteto symetrie odpadaacute Byly provedeny tři seacuterie vyacutepočtů ktereacute se lišily materiaacutelem
kontaminantu Každaacute seacuterie se sklaacutedala z 24 samostatnyacutech vyacutepočtů ve kteryacutech se postupně
měnila pozice kontaminantu tak jako je tomu při skutečneacute situaci na dopravniacutem paacutesu
Použityacutem APDL skriptem by bylo možneacute řešit i průchody kontaminantu v různyacutech vyacuteškaacutech
detekčniacuteho otvoru Pro potřeby těchto vyacutepočtů byl průchod zvolen středem jelikož je zde
citlivost detektoru nejnižšiacute Nutno poukaacutezat na skutečnost že kontaminant reprezentovanyacute
kružniciacute v řezu detektoru nelze považovat za kulovyacute nyacutebrž za vodič kruhoveacuteho průřezu
stejneacute deacutelky jako Tx respektive Rx vinutiacute Rozmeziacute pohybu kontaminantu bylo od -230 mm
do 230 mm vůči Tx vinutiacute s krokem 20 mm Obdeacutelniacuteky v okoliacute Tx vinutiacute byly vytvořeny za
uacutečelem možnosti zjemněniacute vyacutepočetniacute siacutetě v prostoru Tx a Rx vinutiacute Na obraacutezku 41 nejsou
namodelovaacuteny Rx ciacutevky neboť hodnota naindukovaneacuteho napětiacute byla ziacuteskaacutevaacutena v pěti
různyacutech vyacuteškovyacutech poziciacutech a bylo hodnoceno indukovaneacute napětiacute Ui
Obr 41 Zaacutekladniacute geometrie
nerezovyacute kryt
vodiče Tx vinutiacute
kontaminant
obdeacutelniacuteky vzduchoveacuteho okoliacute s jemnějšiacute vyacutepočetniacute siacutetiacute střed souřadneacuteho
systeacutemu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
29
411 Preprocessing - p řiacuteprava skriptu Nejprve bylo nutneacute zjistit geometrickeacute rozměry a materiaacuteloveacute konstanty zkoumaneacuteho
detektoru Geometrickeacute rozměry byly ziacuteskaacuteny z databaacuteze Solidworks modelů společnosti
Loma Systems sro V kapitole 71 je uacuteryvek APDL skriptu pro tvorbu geometrie
Materiaacutely použiteacute v modelu jsou vzduch vodiče Tx vinutiacute nerezovyacute obal detektoru a
materiaacutely kontaminantů V raacutemci zjednodušeniacute modelu nebyly uvažovaacuteny PVC izolace Tx
vinutiacute samotneacute Tufneloveacute jaacutedro a materiaacutel s niacutemž je prostor mezi jaacutedrem a nerezovyacutem
krytem vyplněn neboť tyto materiaacutely vykazujiacute z pohledu šiacuteřeniacute elektromagnetickeacuteho pole
stejneacute vlastnosti jako vzduch Konkreacutetniacute hodnoty materiaacutelovyacutech konstant viz tabulka 41
odpor Tx vinutiacute nebyl uvažovaacuten neboť jeho plochy byly zatiacuteženy definovanou proudovou
hustotou tudiacutež neniacute možneacute uvažovat přiacutepadně naindukovaneacute viacuteřiveacute proudy Daacutele bylo nutneacute
zvolit a spraacutevně nastavit použiteacute elementy modelu
Tab 41 Materiaacuteloveacute vlastnosti
měrnaacute
permeabilita [-] měrnyacute elektrickyacute
odpor [Ωm]
vzduch 1 -
Tx vinutiacute 1 -
nerezovaacute ocel (ANSI 304 DIN 14301)
1008 [10] 72010-7
neželeznyacute kontaminant (mosaz)
1 75010-8
železnyacute kontaminant (chromovaacute ocel)
400 12010-7
nerezovyacute kontaminant (ANSI 304 DIN 14301) 1008 72010-7
Jako elementy daneacuteho modelu byly zvoleny elementy PLANE53 určeneacute pro řešeniacute
magnetickeacuteho pole Jednaacute se o osmi uzloveacute elementy ktereacute mohou miacutet až čtyři stupně
volnosti na uzel Stupně volnosti mohou byacutet magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel (AZ) časově
integrovanyacute elektrickyacute skalaacuterniacute potenciaacutel (VOLT) elektrickyacute proud (CURR) a
elektromotorickaacute siacutela (EMF) [6] Geometrie elementu na obr 42
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
30
Obr 42 Geometrie elementu PLANE53 [6]
Uacuteryvek koacutedu v kapitole 72 obsahuje definovaacuteniacute materiaacutelovyacutech vlastnostiacute definovaacuteniacute
elementů a jejich nastaveniacute V dalšiacute časti bylo nutneacute jednotliveacute materiaacutely a elementy přiřadit
danyacutem plochaacutem
Daacutele bylo zapotřebiacute nastavit atributy pro automatickeacute siacuteťovaacuteniacute oblasti Je nutneacute aby v
tenkyacutech a malyacutech plochaacutech byla vyššiacute hustota siacutetě než na velkyacutech plochaacutech kde postačuje siacuteť
řidšiacute Velmi důležitaacute je kompatibilita siacutetě proto byla v okoliacute Tx vodičů vytvořena
obdeacutelniacutekovaacute oblast s hustšiacute siacutetiacute viz uacuteryvek koacutedu v přiacuteloze 73
Obr 43 Detailniacute pohled na siacuteť elementů
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
31
V posledniacute čaacutesti preprocessingu byla definovaacutena Dirichletova okrajovaacute podmiacutenka
udaacutevajiacuteciacute magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel roven nule na vnějšiacute hrany vzduchoveacuteho okoliacute a
průběh budiacuteciacute proudoveacute hustoty v Tx vodičiacutech V horniacutem a dolniacutem vodiči měly toky opačnyacute
smysl proto bylo nutneacute vytvořit dva vektory hodnot J1 (obr 44) a mJ1 V posledniacute řadě bylo
provedeno přiřazeniacute průběhů k plochaacutem viz kapitola 74
Obr 44 Průběh proudoveacute hustoty v ploše Tx vodiče
Ansys byl do Solution modu přepnut přiacutekazem SOL kde se provedlo nastaveniacute
analyacutezy a byl spuštěn vyacutepočet viz kapitola 76
412 Postprocessing - ziacuteskaacutevaacuteniacute vyacutesledk ů Ciacutelem teacuteto čaacutesti bylo zjištěniacute průběhů naindukovanyacutech napětiacute Ui v zaacutevislosti na čase
pro různeacute vyacuteškoveacute pozice přijiacutemaciacutech ciacutevek Rx Pro indukovaneacute napětiacute platiacute vztah
( )Vndt
dU i sdotΦminus= (43)
kde
( )TdxBlx
x
Yint sdotsdot=Φ2
1
(44)
n počet zaacutevitů Rx vinutiacute
l deacutelka Rx vinutiacute ve směru osy Z
x1 a x2 šiacuteřka Rx vinutiacute ve směru osy X
BY složka magnetickeacute indukce v ose Y
Zadaacuteniacutem souřadnic dvou bodů se nadefinovala uacutesečka (cesta) na kterou byly s určityacutem
J (Am-2)
kroky vyacutepočtu (-)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
32
krokem zaznamenaacuteny hodnoty magnetickeacute indukce BY Průběh BY v zaacutevislosti na souřadnici X
je na obr 45
Obr 45 Průběh magnetickeacute indukce BY v zaacutevislosti na souřadnici X
Obr 46 Průběh magnetickeacuteho toku Φ v zaacutevislosti na souřadnici X
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
33
Integrovaacuteniacutem průběhu BY se ziacuteskal průběh magnetickeacuteho indukčniacuteho toku Φ obr 46
Magnetickyacute indukčniacute tok Φ je roven určiteacutemu integraacutelu (rovnice 44) průběhu BY obr 45 Z
toho vyplyacutevaacute že magnetickyacute indukčniacute tok je roven posledniacute hodnotě průběhu na obr 46
Tato hodnota se vynaacutesobila deacutelkou Rx vinutiacute Postup vyacutepočtu se opakoval pro všechny pozice
Rx vinutiacute a to v každeacutem kroku transientniacute analyacutezy Tiacutem se ziacuteskala zaacutevislost magnetickeacuteho
indukčniacuteho toku Φ na čase t V programu MS Excel se vynaacutesobil tok počtem zaacutevitů Rx vinutiacute
a byla provedena derivace podle času (rovnice 43) Takto byly zpracovaacuteny vyacutesledky pro
všechny pozice kontaminantu vůči Tx vinutiacute APDL skript pro ziacuteskaacutevaacuteniacute hodnot viz kapitola
76 a v kapitole 77 je vyacutepis makra ktereacute uklaacutedaacute hodnoty do souboru
413 Hodnoceniacute vyacutesledk ů Vypočteneacute hodnoty Ui ve všech pěti vyacuteškovyacutech poziciacutech hrx byly vyneseny do grafů v
zaacutevislosti na čase Pokud se vynesou do jednoho grafu průběhy indukovanyacutech napětiacute pro
každou pozici kontaminantu v daneacute vyacutešce lze sledovat odezvu indukovaneacuteho napětiacute na
polohu kontaminantu Jelikož byly provedeny tři seacuterie vyacutepočtů s různyacutemi kontaminanty lze
porovnat i tvary přijiacutemanyacutech signaacutelu pro jednotliveacute materiaacutely Ciacutelem teacuteto čaacutesti je porovnat
signaacutely ziacuteskaacutevaneacute v různyacutech vyacuteškovyacutech polohaacutech Rx vinutiacute a vybrat nejvhodnějšiacute signaacutel pro
detekci
Na naacutesledujiacuteciacutech grafech jsou znaacutezorněny napěťoveacute průběhy během jedneacute periody v
zaacutevislosti na poloze kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
34
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 47 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 48 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
35
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 49 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 410 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
36
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 411 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 5)
Na obraacutezciacutech 47 až 411 jsou zobrazeny průběhy odpoviacutedajiacuteciacute průchodu železneacuteho
kontaminantu s relativniacute permeablitou 400 a měrnyacutem elektrickyacutem odporem 10210-7 Ωm Na
průběziacutech 47 48 a 411 lze pozorovat sice nižšiacute hodnotu signaacutelu ale celkovaacute deformace
během průchodu kontaminantu je většiacute
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 412 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
37
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 413 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 414 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
38
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 415 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 416 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce5)
Na obraacutezciacutech 412 až 416 jsou zobrazeneacute průběhy odpoviacutedajiacuteciacute průchodu kontaminantu z
nerezu ANSI 304 s relativniacute permeablitou 1008 a měrnyacutem elektrickyacutem odporem 7210-7
Ωm Při porovnaacuteniacute s předchoziacutem kontaminantem je změna signaacutelu nižšiacute což odpoviacutedaacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
39
předpokladům o obtiacutežnějšiacute detekci nerezovyacutech kontaminantů
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 417 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 418 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
40
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 419 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 420 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
41
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 421 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 5)
Na obraacutezciacutech 417 až 421 jsou zobrazeny průběhy odpoviacutedajiacuteciacute neželezneacutemu
kontaminantu (mědi) s parametry relativniacute permeablita 1 a měrnyacute elektrickyacute odpor 7510-8
Ωm Průběh signaacutelu je velmi podobnyacute signaacutelům nerezoveacuteho kontaminantu
Porovnaacuteniacutem všech grafů (obr 47 - obr 422) je obecně vidět že u průběhů ve vyacutešce
3 a 4 je zisk signaacutelu pro všechny modelovaneacute kontaminanty největšiacute Dochaacuteziacute zde ale ke
změně amplitudy pouze v jednom smyslu což z hlediska vyhodnocovaciacutech algoritmů zlepšeniacute
detekce vylučuje Naproti tomu je u signaacutelu ve vyacutešce 5 znatelně vyššiacute amplituda než v
použiacutevaneacute vyacutešce 2 Na zaacutekladě tohoto zjištěniacute bude zhotoven prototyp detektoru za uacutečelem
ověřeniacute teoretickyacutech vyacutesledků
Na obraacutezku 422 je ukaacutezka grafickeacuteho vyacutestupu zobrazujiacuteciacuteho vektory proudoveacute
hustoty naindukovaneacute v nerezoveacutem krytu a v kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
42
Obr 422 Vektory proudovyacutech hustot naindukovanyacutech do kontaminantu a nerezoveacuteho krytu
Obraacutezek 423 zobrazuje kontury magnetickeacuteho pole ve stejneacutem časoveacutem kroku jako obr
422 Pole ktereacute je konturami zobrazeno je tvořeno praacutevě proudovou hustotou obr 422 Je
zde možneacute pozorovat jak se pole deformuje přiacutetomnyacutem kontaminantem
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
43
Obr 423 Kontury magnetickeacuteho vektoroveacuteho potenciaacutelu s viditelnou deformaciacute pole způsobenou
feromagnetickyacutem kontaminantem
42 Vyšet řovaacuteniacute množstviacute vyza řovaneacute energie V teacuteto čaacutesti se vychaacutezelo z předpokladu že intenzita elektromagnetickeacuteho pole uvnitř
detektoru je mnohem většiacute než elektromagnetickyacute šum kteryacute do detektoru vnikaacute z okoliacute
Proto lze předpoklaacutedat že rušeniacute bude způsobeno předevšiacutem deformaciacute vlastniacuteho
vyzařovaneacuteho pole v bliacutezkeacutem okoliacute detektoru To vede ke snaze snižovat množstviacute vlastniacuteho
vyzaacuteřeneacuteho pole ven z detektoru aby nemohlo byacutet deformovaacuteno okolniacutemi předměty
421 Řešeniacute probleacutemu Bylo porovnaacuteno pět variant detektorů bez průchodu kontaminantu Každaacute varianta se
řešila jedniacutem vyacutepočtem z čehož plyne malaacute časovaacute naacuteročnost a proto byly probleacutemy řešeny
bez využitiacute symetrie Prvniacute byl staacutevajiacuteciacute detektor o tloušťce kryciacuteho nerezoveacuteho plechu 3 mm
druhyacute byl stejneacute geometrie ale za použitiacute silnějšiacuteho 5 mm tlusteacuteho nerezu Třetiacute typ měl
tloušťku 3 mm ale na horniacute a dolniacute stěně bylo přidaacuteno dalšiacute stiacuteněniacute z nerezu ve tvaru T (obr
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
44
426) Posledniacute dva naacutevrhy měly pravouacutehlyacute tvar krytu celkově menšiacutech rozměrů z nichž jeden
byl jednoduchyacute o tloušťce 3 mm (obr 427) a druhyacute měl shora a zdola dvojiteacute dno z nerezu
tloušťky 3 mm (obr_428) Touto metodou by se dalo porovnaacutevat mnohem většiacute množstviacute
provedeniacute ktereacute by se mohly lišit i použityacutem materiaacutelem Vzduchoveacute okoliacute detektoru bylo
rozděleno na čtyři sektory v nichž se sečetly hodnoty magnetickeacute energie jednotlivyacutech
elementů v každeacutem kroku analyacutezy a tiacutem se ziacuteskal průběh množstviacute energie v daneacutem prostoru
na čase Objemovaacute hustota magnetickeacute energie byla zjišťovaacutena ve všech plochaacutech daneacute
geometrie a bylo možno sledovat jak se energie v čase přemisťuje
Obr 424 Geometrie varianty 3 mm
Obr 425 Geometrie varianty 5 mm
Obr 426 Geometrie varianty 3 mm-stineni
Obr 427 Geometrie varianty novy 1
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
45
Obr 428 Geometrie varianty novy 2
Přiacuteprava skriptů se od předchoziacutech vyacutepočtů lišila pouze v geometrii jinak byla
principiaacutelně stejnaacute Rozdiacutel byl však v čaacutesti post-processingu (ziacuteskaacutevaacuteniacute vyacutesledků) Aby bylo
možno přistupovat k jednotlivyacutem sektorům musel byacutet každyacute sektor definovaacuten vlastniacutem typem
elementů (elementy byly použity stejneacute jednaacute se pouze o čiacuteslovaacuteniacute) Byly použity osmkraacutet
elementy PLANE53
ET153 Tx vinuti ET253 prostor uvnitr detektoru ET353 nerezovy obal ET453 detekcni prostor ET553 vzduchove okoli - horni ET653 vzduchove okoli - pravy ET753 vzduchove okoli - dolni ET853 vzduchove okoli - levy
Přiacuteklad načiacutetaacuteniacute vyacutesledků pro jeden typ elementů
POST1 prepnutiacute do postprocesoru allsel oznaceni vsech elementu vytvoreni pole pro ukadani hodnot DIMenergie1TABLEkroku11timeE zapsani nulovych hodnot na zacatek vektoru vysledku energie1(00)=0 energie1(01)=0 cyklus ve kterem se nacitaji vysledky jednotlivych kroku simulace doi1kroku1 APPEND 1 i nacteni daneho kroku eseltype1 vybrani elementu typu 1 GET e_count1 ELEM count vraci mnozstvi elementu daneho typu GET e_next ELEM 0 NXTH vraci nejnizsi adresu elementu daneho typu v promenne e_next energ1=0 vynulovani promenne cyklus ktery postupne prochazi vsechy elementy daneho typu doj1e_count11 GET e_energ1 ELEM e_next SENE ulozi do promene e_energ1 mnozstvi energie v elementu s adresou e_next
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
46
GET e_next ELEM e_next NXTH posune adresu elementu o jedna energ1=energ1+e_energ1 pricte mnozstvi energie e_energ1 do kumulativni promnenne energ1 enddo konec vnitrniho cyklu energie1(i0)=i zapise do pole vysledku cislu jirju simulace energie1(i1)=energ1 zapise do pole vysledku mnozstvi energie v cele plose s elementy daneho typu enddo konec vnejsiho cyklu zapis_energ zavolani makra pro zapis vysledku do souboru
422 Hodnoceniacute vyacutesledk ů V jednotlivyacutech sektorech se provedla suma magnetickeacute energie pro každyacute krok
simulace Vyacutesledkem jsou průběhy množstviacute energie v daneacute ploše v zaacutevislosti na krociacutech
simulace (čase) Jednotliveacute varianty byly hodnoceny na zaacutekladě porovnaacuteniacute průběhů se
staacutevajiacuteciacutem detektorem
Energie v Tx vinutiacute
000E+00
100E-03
200E-03
300E-03
400E-03
500E-03
600E-03
700E-03
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 429 Energie v Tx vinutiacute
Na grafu (obr 429) je vidět že množstviacute energie v Tx vinutiacute neniacute zaacutevisleacute na geometrii a je
daacuteno budiacuteciacutem signaacutelem v Tx vinutiacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
47
Energie unit ř detektoru
000E+00
200E-02
400E-02
600E-02
800E-02
100E-01
120E-01
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 430 Energie uvnitř detektoru
Na obr 430 je znaacutezorněno množstviacute energie v prostoru detektoru do ktereacuteho neniacute
započiacutetaacutena detekčniacute oblast ta je zobrazena na obr 432 V teacuteto čaacutesti neniacute pozorovaacutena žaacutednaacute
vyacuteraznaacute změna
Energie v nerezoveacutem obalu
000E+00
500E-05
100E-04
150E-04
200E-04
250E-04
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 431 Energie v nerezoveacutem obalu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
48
Vyacuteraznějšiacute změny se odehraacutevajiacute v nerezoveacutem obalu Nejmenšiacute množstviacute energie je v klasickeacute
3 mm tlusteacute a v 5 mm tlusteacute variantě U klasickeacute varianty se stiacuteněniacutem a u novyacutech naacutevrhů je
naacuterůst způsoben přibliacuteženiacutem nerezu k Tx vinutiacute
Energie v prostoru detek čniacuteho otvoru
000E+00
500E-03
100E-02
150E-02
200E-02
250E-02
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 432 Energie v prostoru detekčniacuteho otvoru
V oblasti detekčniacuteho otvoru je snaha o uchovaacuteniacute co největšiacuteho množstviacute energie neboť
zmenšeniacute energie vede ke sniacuteženiacute odezvy na kontaminant tedy ke sniacuteženiacute citlivosti detektoru
Z obr 432 je patrneacute že geometrickeacute uacutepravy detektoru (3 mm se stiacuteněniacutem novy 1 a novy 2)
vedou ke sniacuteženiacute množstviacute energie v tomto prostoru
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
49
Energie v horniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
100E-07
200E-07
300E-07
400E-07
500E-07
600E-07
700E-07
800E-07
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 433 Energie v horniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Energie v dolniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
100E-07
200E-07
300E-07
400E-07
500E-07
600E-07
700E-07
800E-07
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 434 Energie v dolniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Porovnajiacute-li se obr 433 a 434 je u variant 1 - 3 možneacute pozorovat rozdiacutely mezi horniacute a dolniacute
plochou Je zde na prvniacute pohled vidět jak horniacute oblouk snižuje množstviacute energie unikajiacuteciacute do
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
50
okoliacute Jako uacutečinneacute se z pohledu těchto sektorů jeviacute varianta klasickeacuteho detektoru se stiacuteněniacutem a
novyacute naacutevrh s dvojityacutemi stěnami
Energie v praveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
500E-06
100E-05
150E-05
200E-05
250E-05
300E-05
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 435 Energie v praveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Energie v leveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
500E-06
100E-05
150E-05
200E-05
250E-05
300E-05
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 436 Energie v leveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
51
Pravyacute a levyacute sektor je z důvodů symetrie stejnyacute na obrazciacutech 435 a 436 lze pozorovat tzv
metal free zoacutenu kteraacute se u detektorů udaacutevaacute Jednaacute se o prostor před a za detekčniacutem otvorem
ve ktereacutem se nesmiacute nachaacutezet žaacutednyacute kovovyacute materiaacutel (z důvodu ovlivňovaacuteniacute pole) snahou je
tuto zoacutenu co nejviacutece zmenšit Z grafů je patrneacute že novyacute naacutevrh s dvojityacutemi stěnami vykazuje
nejmenšiacute množstviacute energie v teacuteto oblasti Naopak u klasickeacute varianty se stiacuteněniacutem došlo k
vytlačeniacute pole z vnitřku detektoru praacutevě do těchto okolniacutech zoacuten
Na zaacutekladě těchto poznatků bude provedeno ověřeniacute na skutečnyacutech zařiacutezeniacutech Mezi
použitelneacute varianty připadaacute klasickaacute konstrukce doplněnaacute o stiacuteněniacute a novyacute naacutevrh s dvojityacutemi
stěnami U toho je však velkaacute hrozba sniacuteženiacute citlivosti způsobeneacute menšiacutem množstviacutem energie
v detekčniacutem prostoru
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
52
5 Zaacutevěr Ciacutelem předklaacutedaneacute praacutece je zlepšeniacute činnosti detektorů kovů přiacutepadně uacuteprava
technologie vyacuteroby při současneacutem sniacuteženiacute vyacuterobniacutech naacutekladů Předpokladem uacutespěšnyacutech
naacutevrhů byla podrobnaacute studie činnosti a principu těchto zařiacutezeniacute kteraacute jsou vyacuterobcem po
několik let uacutespěšně prodaacutevaacutena na světovyacutech trziacutech
Na zaacutekladě těchto požadavků byly provedeny některeacute testy ktereacute měly ověřit
předpoklaacutedanaacute zlepšeniacute Nejširšiacute možnosti přinaacutešiacute modelovaacuteniacute magnetickeacuteho pole
průmyslovyacutech detektorů počiacutetačovou simulaciacute kteraacute je zatiacutem schopna řešit zadaneacute probleacutemy
v dvourozměrneacutem prostoru Nejčastěji řešeneacute probleacutemy jsou staacutele spojeny se zaacutekladniacutem
principem činnosti těchto zařiacutezeniacute tj vlivem a působeniacutem kontaminantu na
elektromagnetickeacute pole buzeneacute ciacutevkami uvnitř detektoru a nepřiacuteznivyacute vliv vnějšiacutech rušivyacutech
poliacute např při současneacute činnosti sousedniacutech detektorů Dalšiacutem zdrojem rušivyacutech magnetickyacutech
poliacute může byacutet i činnost a přiacutetomnost různyacutech elektrickyacutech zařiacutezeniacute probleacutem spojenyacute s
vhodnyacutem materiaacutelem a tvarem stiacuteněniacute těchto zařiacutezeniacute
Vzhledem k maximaacutelniacute citlivosti elektronickyacutech obvodů a požadovaneacute pečlivosti při
balancovaacuteniacute (vyvažovaacuteniacute) se vyskytuje probleacutem kteryacute souvisiacute se staacutelostiacute nastaveniacute detektoru
při mechanickeacutem otřesu přiacutepadně odstraněniacute změn ke kteryacutem dochaacuteziacute vlivem dopravy
Dalšiacutem plaacutenovanyacutem krokem je namodelovaacuteniacute probleacutemu v trojrozměrneacutem prostoru od
ktereacuteho je očekaacutevaacuteno zohledněniacute dalšiacutech vlivů a tiacutem zpřesněniacute samotneacuteho vyacutesledku
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
53
6 Použitaacute literatura [1] Internetoveacute straacutenky společnosti Loma Systems sro
httpwwwlomacom_czindexshtml
[2] Haacutejek J Jarchovskyacute Z Detektory kovů - naacutevod na stavbu nakladatelstviacute BEN Praha
2010
[3] Beneda L Detektory kovů bakalaacuteřskaacute praacutece ZČU Plzeň 2010
[4] Internetoveacute straacutenky společnosti Ad controls sro
httpwwwadcontrolsczdetektory_kovu_zakladni_pojmy
[5] KOVOHUTĚ ROKYCANY as COMTES FHT as MATEX sro Průběžnaacute
zpraacuteva k projektu FeNi - čj 1021207 - 32 za rok (2007 - 2009)
[6] Ansys Inc ANSYS HELP Release 130 Dokumentace k programu
[7] Karban P a kolektiv autorů Aplikace teoretickeacute elektrotechniky Skripta ZČU Plzeň
2011
[8] Benešovaacute Z Ulrych B Přiacuteručka pro použitiacute programů ve vyacuteuce teorie
elektromagnetickeacuteho pole Skripta ZČU Plzeň 1997
[9] Loma Systems sro Knowledge Base - Interniacute dokumentace společnosti
[10] Internetoveacute straacutenky společnosti Aerospace specification metals Inc
httpasmmatwebcomsearchSpecificMaterialaspbassnum=MQ304A
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
1
7 Přiacutelohy
71 Tvorba geometrie PREP7 prepnuti do rezimu preprocesingu jj=8 index polohy kontaminantu r1=05e-3 polomer Tx vodice 05 mm r2=15e-3 polomer kontaminantu 15 mm c=90e-3 sirka Rx civek h=1767e-3 vzdalenost mezi Tx vinutim hrx=(h2)+526e-3 zakladni vyskova poloha mezi Rx civkami hss=175e-3 vyska nerezoveho krytu wss=150e-3 sirka nerezoveho krytu tss=3e-3 tloustka nerezove steny hd=h-227e-3 vyska detekcniho otvoru wok=1000e-3 sirka vzduchoveho okoli hok=1000e-3 vyska vzduchoveho okoli wkon=(-250e-3)+(jj20e-3) poloha kontaminantu na ose X tvorba geometrickych bodu nerezoveho krytu K1022589e-30 K2022185e-30 K3-7907e-321208e-30 K4-78e-32085e-30 K57907e-321208e-30 K678e-32085e-30 K7-wsshss0 K8-wss+tsshss-tss0 K9wsshss0 K10wss-tsshss-tss0 K11-wss-hss0 K12-wss+tss-hss+tss0 K13wss-hss0 K14wss-tss-hss+tss0 vytvoreni ploch definovanymi body FLST273 FITEM27 FITEM23 FITEM21 FITEM25 FITEM29 FITEM213 FITEM211 AP51X FLST273 FITEM28 FITEM24 FITEM22 FITEM26 FITEM210 FITEM214 FITEM212 AP51X CYL40h2r1 plocha horniho Tx vodice CYL40-h2r1 ploch dolniho Tx vodice BLC50((h2)+hrx)2100e-310e-3 plocha horniho vzduchoveho okoli Tx vodice BLC50-((h2)+hrx)2100e-310e-3 plocha dolniho vzduchoveho okoli Tx vodice BLC5002wsshd plocha detekcniho ootvoru APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch odstraneni ploch ktere budou sjednoceny se vzduchovym okolim
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
2
FLST255ORDE4 FITEM210 FITEM2-12 FITEM215 FITEM218 ADELEP51X BLC500wokhok vytvoreni plochy vzduchoveho okoli APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch CYL4wkon0r2 vytvoreni plochy kontaminantu APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch konec tvorby geometrickeho modelu
72 Definice element ů materiaacutel ů a jejich p řiřazeniacute k plochaacutem definovani materialu MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX11 material 1 Tx permeabilita 1 MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX21 material 2 Air permeabilita 1 MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX31008 material 3 nerezovy kryt SS ANSI 304 permeabilita MPTEMP MPTEMP10 MPDATARSVX372e-7 material 3 nerezoovy kryt SS Ansi 304 rezistivita MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX4400 material 4 Kontaminant permeabilita MPTEMP MPTEMP10 MPDATARSVX4102e-7 material 4 Kontaminant rezistivita definovani elementu ET153 Tx civky ET253 Vzduch ET353 nerezovy kryt ET453 kontaminant nastaveni elementu KEYOPT110 Tx civky KEYOPT120 KEYOPT130 KEYOPT140 KEYOPT150 KEYOPT170 KEYOPT210 Air KEYOPT220 KEYOPT230 KEYOPT240 KEYOPT250 KEYOPT270 KEYOPT310 SS KEYOPT320 KEYOPT330 KEYOPT340 KEYOPT350
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
3
KEYOPT370 KEYOPT410 kontaminant KEYOPT420 KEYOPT430 KEYOPT440 KEYOPT450 KEYOPT470 prirazeni elementu a materialum k plocham FLST525ORDE2 Tx FITEM58 FITEM5-9 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 1 1 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 FLST535ORDE3 Air FITEM53 FITEM516 FITEM5-17 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 2 2 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 FLST525ORDE2 SS FITEM513 FITEM5-14 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 3 3 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 CM_YAREA kontaminant ASEL 1 CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 4 4 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
4
73 Siacuteťovaacuteniacute oblastiacute FLST275ORDE7 FITEM21 FITEM28 FITEM2-9 FITEM213 FITEM2-14 FITEM216 FITEM2-17 AESIZEP51X00005 nastaveni delky steny elementu 00005 m FLST215ORDE1 FITEM23 AESIZEP51X001 nastaveni delky steny elementu 001 m MSHAPE12D nastaveni 2D trojuhelnikove site MSHKEY0 FLST585ORDE8 FITEM51 FITEM53 FITEM58 FITEM5-9 FITEM513 FITEM5-14 FITEM516 FITEM5-17 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CHKMSHAREA CMSELS_Y AMESH_Y1 spusteni automatickeho sitovani CMDELE_Y CMDELE_Y1 CMDELE_Y2
74 Okrajovaacute podmiacutenka a nastaveniacute budiciacuteho pr ůběhu okrajova podminka FLST244ORDE4 FITEM214 FITEM212 FITEM27 FITEM25 DLP51X AZ0 nastaveni zatizeni parametry budici proudove hustoty f=35e3 frekvence signalu [Hz] part=600 pocet kroku signalu T_min=0 pocatek casove osy T_max=1f konec casove osy dt=T_maxpart casovy krok parametry prudove hustoty pi=4atan(1) s=pir12 I=600sqrt(2) N1=1 J1_a=IN1s definovani vzestupne casti pulsu tau=3 DIMJexTABLE5011timeJ Jex(11)=0
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
5
Jex(10)=0 doi2501 Jex(i1)=(J1_a)(1-exp(-itau)) Jex(i0)=(i) enddo definovani sestupne casti pulsu tau=3 DIMJex1TABLE5011timeJ Jex1(11)=J1_a Jex1(10)=0 doi2501 Jex1(i1)=(J1_a)(exp(-itau)) Jex1(i0)=(i) enddo sestaveni celeho pulsu DIMJex2TABLE10011timeJ Jex2(11)=0 Jex2(10)=0 doi2501 Jex2(i1)=Jex(i1) Jex2(i0)=(i) enddo doi511001 Jex2(i1)=Jex1(i-501) Jex2(i0)=(i) enddo priprava nulovych vektoru kladneho a zaporneho prubehu J DIMJ1TABLE60011timeJ DIMmJ1TABLE60011timeJ doi16001 J1(i0)=(i-1)dt time J1(i1)=0 J mJ1(i0)=(i-1)dt time mJ1(i1)=0 -J enddo vlozeni prvniho pulsu doi11001 J1(i1)=Jex2(i1) mJ1(i1)=-Jex2(i1) enddo vlozeni druheho pulsu doi3004001 J1(i1)=-Jex2(i-3001) mJ1(i1)=Jex2(i-3001) enddo prirazeni prubehu k plocham PREP7 FLST215ORDE1 FITEM28 BFAP51XJSJ1 FLST215ORDE1 FITEM29 BFAP51XJSmJ1
75 Nastaveniacute analyacutezy SOL prepnuti do Solution modu - nastaveni analyzy kroku=300 pocet kroku simulace ANTYPE4 TRNOPTFULL
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
6
NSUBSTkroku00 OUTRESERASE OUTRESALL1 TIMET_max solve spusti vypocet ulohy
76 Postprocessing POST1 prepne do Preprocesing modu krokyb=200 pocet kroku na delku coilgapu L=03 delka Rx snimace hrx1=(h2)+10e-3 jednotlive vyskove pozice Rx vinuti hrx2=(h2)+526e-3 hrx3=(h2) hrx4=((h2)-526e-3) hrx5=((h2)-10e-3) vytvoreni pole hodnot - 10 sloupcu x 300 radku sloupce odpovidaji poctu jednotlivych civek 2x5 (5 poloh horni a dolni civka) DIMTOKTABLEkroku101SUBSTEP TOK(00)=0 TOK(01)=0 TOK(02)=0 TOK(03)=0 TOK(04)=0 TOK(05)=0 TOK(06)=0 TOK(07)=0 TOK(08)=0 TOK(09)=0 TOK(010)=0 dok1kroku1 hlavni cyklus pocet cyklu odpovida poctu kroku analyzy APPEND 1 k nacteni k-teho kroku analyzy tato cast kodu je nutna pro kazdou civku zvlast (10x se opakuje) PATHHORNI26krokyb-1 definovani cesty horni civky PPATH10-c2hrx10 levy koncovy bod PPATH20c2hrx10 pravy koncovy bod PDEF BYAVG namapovani Y-slozky magneticke indukce B PCALCINTGINT_HORBYXGL vypocet integralu z By podle dX PBCPATH 0 PAGETHORNI1_TABL ulozeni hodnot ziskanych na definovane ceste do pole HORNI1_ PADELALL smazani cesty i s hodnotamy (pole HORNI1_ zustava) konec opakujici se casti prirazovani posledni hodnoty integralu do prislusneho pole vysledku TOK(k0)=k casova osa TOK(k1)=HORNI1_(krokyb6) TOK(k2)=DOLNI1_(krokyb6) TOK(k3)=HORNI2_(krokyb6) TOK(k4)=DOLNI2_(krokyb6) TOK(k5)=HORNI3_(krokyb6) TOK(k6)=DOLNI3_(krokyb6) TOK(k7)=HORNI4_(krokyb6) TOK(k8)=DOLNI4_(krokyb6) TOK(k9)=HORNI5_(krokyb6) TOK(k10)=DOLNI5_(krokyb6) DELPRM_ smaze vsechny pole vysledku koncici znakem _ enddo konec cyklu zapis_tok odkaz na skript pro zapsani pole vysledku do souboru txt
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
7
77 Makro Vyacutepis makra ktereacute uklaacutedaacute hodnoty do souboru tok_fitxt
MWRITETOK(111)tok_fitxt vytvori soubor tok_fitxt a ulozi do
nej matici vysletku TOK
(10E135) urcuje format zapisu hodnot - 10
sloupcu cisel o celkove delce 13ti
znaku z toho 5 za desetinou teckou
CFCLOS uzavre soubor
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
8
Eviden čniacute list
Souhlasiacutem s tiacutem aby moje bakalaacuteřskaacute praacutece byla půjčovaacutena k prezenčniacutemu studiu v
Univerzitniacute knihově ZČU v Plzni
Datum Podpis
Uživatel stvrzuje svyacutem čitelnyacutem podpisem že tuto bakalaacuteřskou praacuteci použil ke studijniacutem
uacutečelům a prohlašuje že ji uvede mezi použityacutemi prameny
Jmeacuteno Fakultakatedra Datum Podpis
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
15
prochaacuteziacute stejneacute množstviacute siločar vysiacutelaciacute ciacutevky v jednom i druheacutem směru a tiacutem dochaacuteziacute ke
kompenzaci (vyrušeniacute) jejich uacutečinku obr 26
Obr 26 Princip prostoroveacuteho uspořaacutedaacuteniacute překryacutevajiacuteciacutech se ciacutevek [2]
Společnosti vyraacutebějiacuteciacute průmysloveacute detektory kovů majiacute většinou sveacute specifickeacute uspořaacutedaacuteniacute
ciacutevek
Obr 27 Viacutece ciacutevkoveacute uspořaacutedaacuteniacute detektoru společnosti Ad controls sro a jeho skutečneacute provedeniacute [4]
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
16
Obr 28 Třiacute ciacutevkoveacute uspořaacutedaacuteniacute detektoru společnosti Loma Systems sro
Kvalita detektoru je daacutena předevšiacutem ciacutevkovou soustavou a neměnnostiacute jejiacutech vlastnostiacute a daacutele
volbou pracovniacuteho kmitočtu Špičkou mezi dnešniacutemi detektory jsou zařiacutezeniacute umožňujiacuteciacute
činnost při různyacutech budiacuteciacutech kmitočtech Vyacutehodou těchto systeacutemů je možnost použiacutevat viacutece
zařiacutezeniacute bliacutezko u sebe a hlavně možnost použitiacute různyacutech frekvenciacute pro rozdiacutelneacute produkty s
ohledem na citlivost a kvalitu detekce
3 Zařiacutezeniacute spole čnosti Loma Systems sro Podmiacutenkou k dalšiacute vyacutevojoveacute činnosti je podrobnaacute znalost vyraacuteběnyacutech zařiacutezeniacute a
vyacuterobniacutech technologiiacute v daneacutem podniku
Obr 31 Detektor kovů IQ3 s dotykovyacutem ovlaacutedaacuteniacutem společnosti Loma Systems sro [1]
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
17
31 Obecneacute informace Jsou vyraacuteběny dva typy detektorů ktereacute pracujiacute na stejneacutem principu ale lišiacute se
vysiacutelaciacutemi průběhy budiacuteciacuteho napětiacute a možnostiacute pracovat na různyacutech kmitočtech
Staršiacute model označenyacute jako IQ2 je vyraacuteběnyacute ve třech variantaacutech jako farmaceutickyacute
detektor detektor s volnyacutem propadem produktu nebo detektor s produktem dopravovanyacutem
potrubiacutem Posledniacute dva jmenovaneacute jsou takeacute vyraacuteběny na zaacutekladě technologie IQ3 Tento
systeacutem umožňuje činnost detektoru na různyacutech budiacuteciacutech kmitočtech a je použit hlavně u
dopravniacutekovyacutech detektorů Detektor IQ2 pracuje na neměnneacute frekvenci 1 MHz
Dopravniacutekoveacute detektory jsou vyraacuteběny ve dvou variantaacutech normaacutelniacute (detekčniacute otvor
maacute stěny opatřeneacute vrstvou modreacuteho epoxidu) a detektory pro extreacutemně nepřiacutezniveacute podmiacutenky
(stěny detekčniacuteho otvoru jsou pokryty odolnyacutem plastem) ktereacute odolaacutevajiacute i vysokotlakeacutemu
vodniacutemu čištěniacute Obě varianty jsou vhodneacute i pro použitiacute v potravinaacuteřskeacutem průmyslu
Všechny detektory jsou schopny pracovat při siacuteťoveacutem napětiacute 110115200220230 V
50 nebo 60 Hz 1f 380400 V 5060 Hz 3f a majiacute stupeň krytiacute IP 69K což umožňuje uacutedržbu
vysokotlakyacutemi vodniacutemi čističi Ovlaacutedaacuteniacute a komunikace s detektorem je zajištěna LCD
displejem s tlačiacutetky nebo displejem dotykovyacutem Každyacute detektor je vybaven releacuteovyacutemi
vyacutestupy jimiž je možno ovlaacutedat chod dopravniacuteku vyřazovaciacute systeacutem signalizačniacute lampy či
klakson
Detektor jako takovyacute se sklaacutedaacute z jedneacute čaacutesti kde je jak samotnyacute detekčniacute otvor tak i
veškeraacute elektronika Detekčniacute otvor tvořiacute jaacutedro z tvrzeneacuteho papiacuteru (Tufnol) do ktereacuteho jsou
vlepeny vodiče ciacutevek Stěny detekčniacuteho otvoru jsou opatřeny modryacutem epoxidem nebo biacutelyacutem
polyethylenem (Acetal) kteryacute maacute většiacute mechanickou odolnost Celeacute zařiacutezeniacute je uzavřeno v
obalu z nerezoveacute oceli ANSI 304 (DIN 14301) tloušťky 3 mm Prostor mezi jaacutedrem a
nerezovyacutem obalem je vyplňovaacuten pěnivyacutem epoxidem
Elektronika detektoru obsahuje tři desky plošnyacutech spojů a ovlaacutedaciacute displej Hlavniacute
čaacutestiacute je řiacutediacuteciacute deska (Control board) na ktereacute se nachaacuteziacute blok napaacutejeciacuteho zdroje
vyhodnocovaciacute obvody paměti AD převodniacuteky signaacutelu a vstupniacutevyacutestupniacute obvody Dalšiacutemi
čaacutestmi jsou vysiacutelaciacute deska (Transmitter board) a deska přijiacutemače (Receiver board)
32 Vysiacutelaciacute čaacutest - Tx Postupneacute upouštěniacute od vyacuteroby zastaraleacute verze detektorů IQ2 je důvodem pro zaměřeniacute
teacuteto praacutece na detektory IQ3 Systeacutem IQ3 je multifrekvenčniacute založenyacute na balančniacutem principu
Oproti standardniacutem balančniacutem detektorům je zde vysiacutelaciacute ciacutevka buzena nespojityacutem signaacutelem
Vyacutehodou použitiacute tohoto signaacutelu je snadnaacute změna frekvence možnost řiacutezeniacute vysiacutelaciacuteho vyacutekonu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
18
a celkoveacute zvyacutešeniacute kvality detekce neboť rychlyacutem změnaacutem budiacuteciacuteho proudu odpoviacutedaacute velkaacute
změna magnetickeacuteho indukčniacuteho toku Dle Faradayova indukčniacuteho zaacutekona je velikost
indukovaneacuteho napětiacute daacutena rychlostiacute změny magnetickeacuteho indukčniacuteho toku (31)
tU i ∆
∆Φminus= (31)
Činnost Tx boardu (vysiacutelaciacute desky) je řiacutezena mikrokontrolerem kteryacute komunikuje s
Control boardem seacuteriovyacutem rozhraniacutem Deska umožňuje kontrolu napaacutejeniacute vysiacutelaciacuteho proudu
teploty a přiacutepadneacute přerušeniacute Tx vinutiacute (vysiacutelaciacute ciacutevky) Mikrokontroler řiacutediacute jak vysiacutelaciacute
průběh tak vyhodnocovaciacute obvody ktereacute jsou na Rx boardu (přijiacutemaciacute deska)
Na Tx board jsou přivaacuteděna napětiacute 12 V -12 V proti zemi použiacutevanaacute k buzeniacute Tx
vinutiacute Z kladneacuteho napětiacute se daacutele ziacuteskaacutevaacute napětiacute 33 V a 18 V pro napaacutejeniacute ostatniacutech obvodů
Budiacuteciacute signaacutel je kvůli požadovaneacutemu vysokeacutemu pulsniacutemu vyacutekonu odebiacuteraacuten z kondenzaacutetoroveacute
baterie Velikost odebiacuteraneacuteho proudu je měřena operačniacutem zesilovačem zapojenyacutem jako
převodniacutek IU
Vyacutekonovaacute čaacutest Tx boardu je tvořena čtyřmi MOSFET tranzistory řiacutezenyacutemi
mikrokontrolerem Vyacutekonoveacute tranzistory T1 až T4 jsou zapojeny dle obr 32
Obr 32 Zapojeniacute koncoveacute čaacutesti vysiacutelače
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
19
Vysiacutelaciacute ciacutevka je tvořena pouze jedniacutem zaacutevitem Cu draacutetu ϕ 1 mm jeho indukčnost a kapacita
je vzhledem k jeho vodivosti zanedbatelnaacute a při nižšiacutech frekvenciacutech se tedy chovaacute jako zkrat
Pokud je časovyacute posuv mezi U1 a U2 roven nule pak napětiacute UTX je takeacute rovno nule a Tx
ciacutevkou neteče žaacutednyacute proud obr 33
-12
-8
-4
0
4
8
12
16U1 (V)
-16
-12
-8
-4
0
4
8
12
16
000E+00 100E-05 200E-05 300E-05 400E-05 500E-05 600E-05
čas (s)
U2 (V)
Obr 331 Průběhy signaacutelů U1 a U2 přivaacuteděnyacutech na vyacutevody Tx vinutiacute V detektoru by se dala naměřit pouze elektrickaacute složka pole odpoviacutedajiacuteciacute původniacutemu signaacutelu
Pro detekci kovu je však důležiteacute elektromagnetickeacute pole kteraacute vznikaacute průchodem proudu
vinutiacutem Proudoveacuteho impulsu je dosaženo časovyacutem posunem mezi napětiacutemi U1 a U2
přivaacuteděnyacutemi na svorky Tx vinutiacute V tomto přiacutepadě potečou zkratoveacute proudoveacute pulsy
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
20
odpoviacutedajiacuteciacute připojeneacutemu napětiacute UTX viz obr 34 Vyacutekon detektoru je tedy řiacutezen časovyacutem
posunem mezi průběhy napětiacute U1 a U2 Tomuto časoveacutemu posuvu pak odpoviacutedaacute i velikost
odebiacuteraneacuteho proudu do Tx vinutiacute
-12
-8
-4
0
4
8
12
16U1 (V)
-12
-8
-4
0
4
8
12
16U2 (V)
000E+00 100E-05 200E-05 300E-05 400E-05 500E-05 600E-05
Čas (s)
I (A)
Obr 34 Časově posunutaacute napětiacute U1 U2 přivaacuteděnaacute na vyacutevody Tx vinutiacute a průběh proudu I v Tx vinutiacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
21
33 Přijiacutemaciacute čaacutest - Rx Zaacutekladem přijiacutemaciacute čaacutesti je soustava složenaacute ze dvou paralelně spojenyacutech Rx ciacutevek
podle obr 35 každaacute se dvěma zaacutevity U tohoto uspořaacutedaacuteniacute hraje důležitou roli smysl vinutiacute
Rx ciacutevek (označeniacute počaacutetku a konce vinutiacute) a jejich přesnaacute poloha Tx musiacute prochaacutezet přesně
v jedneacute polovině vzdaacutelenosti l
Obr 35 Geometrickeacute uspořaacutedaacuteniacute je voleno tak že pokud neprochaacuteziacute detektorem kontaminant napětiacute
indukovaneacute napaacutejenou ciacutevkou Tx do Rx ciacutevek je minimaacutelniacute
Jak bylo řečeno v kapitole 32 pro detekci kovu je podstatneacute elektromagnetickeacute pole
Elektrickeacute pole je odstraněno na primaacuterniacutem vinutiacute vstupniacuteho transformaacutetoru TR s dvojityacutem
primaacuterniacutem vinutiacutem zapojenyacutem proti sobě v poměru k sekundaacuterniacutemu vinutiacute 1+130 umiacutestěnyacutem
na Rx boardu Na obraacutezku 36 je zapojeniacute vstupniacuteho obvodu Rx boardu Elektrickaacute složka
pole maacute vůči zemi na obou vyacutevodech Rx ciacutevek stejnyacute průběh Primaacuterniacute vinutiacute TR maacute
vyvedenyacute střed na zem čiacutemž se elektrickaacute složka pole uzemniacute (teče proud) Protože jsou
Rx1 ciacutevka
Rx2 ciacutevka
Tx ciacutevka
l
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
22
průběhy na obou vyacutevodech stejneacute magnetickeacute toky v TR vyvolaneacute proudem působiacute proti sobě
a na sekundaacuterniacute vinutiacute se neindukuje žaacutedneacute napětiacute Dojde-li k narušeniacute magnetickeacuteho pole
uvnitř detekčniacuteho prostoru vznikaacute rozdiacutel naindukovaneacuteho napětiacute v leveacutem a praveacutem vodiči Rx
ciacutevky Tento rozdiacutel napětiacute maacute za naacutesledek tok proudu kteryacute se uzaviacuteraacute přes primaacuterniacute vinutiacute
TR1 a indukuje napětiacute na sekundaacuterniacute straně Toto napětiacute je daacutele zpracovaacutevaacuteno
Obr 36 Vstupniacute obvod Rx boardu
34 Princip vyhodnocovaacuteniacute Signaacutel na sekundaacuterniacutem vinutiacute transformaacutetoru TR je zpracovaacutevaacuten blokem obvodů pro
uacutepravu signaacutelu Ten obsahuje aktivniacute filtr a integračniacute člen s niacutezko-šumovyacutem operačniacutem
zesilovačem Za integračniacutem členem je měřiciacute bod kteryacute je využit při oživovaacuteniacute detektorů
Napětiacute Ub (balance signal) v tomto bodě se zobrazuje na osciloskopu a jeho maximaacutelniacute
hodnota by neměla přesaacutehnout 6 V špička - špička Čiacutem je rozkmit toho napětiacute nižšiacute tiacutem lze
dosaacutehnout vyššiacute citlivosti detektoru (kap 35 Vyvažovaacuteniacute detektoru) Nuloveacuteho rozkmitu
nelze dosaacutehnout mimo jineacute kvůli vyacuterobniacutem toleranciacutem zařiacutezeniacute a nehomogenitaacutem Citlivost
elektronickyacutech čaacutestiacute je velmi vysokaacute a uplatňujiacute se rušiveacute vlivy při jejich činnosti (vliv
teploty mechanickeacute chvěniacute) Napětiacute Ub odpoviacutedaacute vyrovnaacutevaciacutemu proudu v Rx ciacutevkaacutech
Přiacuteklad jeho průběhu bez kontaminantu je na obr 37
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
23
Obr 37 Přiacuteklad průběhu napětiacute Ub
Napětiacute Ub je přivaacuteděno na dva samostatneacute elektronickeacute obvody (řiacutezeneacute usměrňovače)
ovlaacutedaneacute řiacutediacuteciacutemi napětiacutemi z mikrokontroleru (na Tx boardu) Dvě řiacutediacuteciacute napětiacute jednoho
usměrňovače jsou vůči sobě o π posunuty a zaacuteroveň jsou posunuty o π2 proti dvěma řiacutediacuteciacutem
napětiacutem druheacuteho usměrňovače Vyacutesledkem jsou dva napěťoveacute signaacutely (P a Q) ktereacute jsou daacutele
zpracovaacutevaacuteny (integrace zesiacuteleniacute) s možnostiacute ručniacute volby zesiacuteleniacute ve čtyřech stupniacutech
(ovlaacutedaacuteniacute citlivosti detektoru) Tyto signaacutely jsou již nositelem informace a jsou na Control
boardu převedeny do digitaacutelniacute podoby Takto upraveneacute signaacutely jsou vyhodnocovaacuteny
algoritmy v hlavniacutem mikrokontroleru
35 Vyvažovaacuteniacute detektoru Zaacutekladem kvalitniacute a stabilniacute detekce je ciacutevkovyacute systeacutem Aby se dosaacutehlo co nejlepšiacuteho
vyvaacuteženiacute ciacutevek je nutnaacute přesnaacute bytelnaacute a rozměrově staacutelaacute konstrukce Detektory společnosti
Loma Systems sro majiacute ciacutevky uloženeacute ve vyfreacutezovanyacutech draacutežkaacutech a zajištěneacute epoxidovyacutem
lepidlem I přes to je detektor po osazeniacute elektronikou značně nevyvaacuteženyacute balančniacute napětiacute Ub
překračuje požadovanou hodnotu 6 V špička - špička natolik že může dojiacutet i k saturaci
elektronickyacutech obvodů Je tedy nutneacute ciacutevkovyacute systeacutem vyvaacutežit (vybalancovat)
Nejprve se provede hrubeacute laděniacute spočiacutevajiacuteciacute v tvarovaacuteniacute maleacute smyčky Tx vinutiacute v čele
detektoru obr 38
0 T2 T
25 V Ub
-25 V
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
24
Obr 38 Vyvažovaciacute očko na Tx vinutiacute a vlepenyacute pliacutešek uvnitř detekčniacuteho otvoru
Tato smyčka plniacute funkci kompenzačniacuteho vinutiacute po natvarovaacuteniacute je očko zaliteacute epoxidovyacutem
lepidlem U detektorů s vnitřniacute uacutepravou detekčniacuteho otvoru modryacutem epoxidem se do
detekčniacuteho otvoru daacutele vlepujiacute vyvažovaciacute pliacutešky různyacutech tvarů a velikostiacute (od 1 cm2 do 4
cm2) obr 38 ktereacute se naacutesledně zalijiacute do roviny modryacutem epoxidem Jako materiaacutel
vyvažovaciacutech pliacutešků je použita nerezovaacute ocel ANSI 304 (DIN 14301) tloušťky 2 mm Druhyacute
typ detektorů s odolnyacutem plastovyacutem povrchem (typ US) neumožňuje vlepovaacuteniacute pliacutešků
dovnitř detekčniacuteho otvoru Balancovaacuteniacute se tedy provaacutediacute přesnějšiacutem tvarovaacuteniacutem Tx očka
popřiacutepadě vlepovaacuteniacutem pliacutešků v jeho okoliacute
Pro jemneacute doladěniacute se u obou těchto variant (US typ a klasickyacute s modrou epoxidovou
vyacuteplniacute detekčniacuteho otvoru) osazujiacute balančniacute moduly obr 39 ktereacute na plastoveacutem otočneacutem diacutelu
majiacute tuning block o rozměrech cca 05 cm2 z 5 mm tlusteacuteho nerezu Oba balančniacute moduly
umožňujiacute pohyb tuning blocku v okoliacute vyvažovaciacuteho očka
Obr 39 Balančniacute moduly i s kryciacutemi plechy vlevo US vpravo klasickyacute
Tyto moduly nejsou přiacuteliš efektivniacute a sloužiacute pouze k miacuterneacutemu vyvaacuteženiacute Použiacutevajiacute se dva typy
Tuning block
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
25
těchto modulů podle varianty vnitřniacute vyacuteplně detektoru (US typ a klasickyacute s modrou
epoxidovou vyacuteplniacute detekčniacuteho otvoru) Jedniacutem z přijatyacutech naacutevrhů pro vylepšeniacute detektorů s
modrou epoxidovou vyacuteplniacute je použitiacute stejneacuteho balančniacuteho modulu jako u detektoru typu US
Vyacuterobniacute cena US balančniacuteho modulu je podstatně nižšiacute a umožňuje změnu polohy
vyvažovaciacuteho diacutelu nejen po obvodu kružnice ale i změnu vzdaacutelenosti mezi rovinami očka a
tuning bloku Změna teacuteto vzdaacutelenosti se využije v přiacutepadě kdy po osazeniacute detektoru s modrou
epoxidovou pryskyřiciacute balančniacutem modulem dojde ke zhoršeniacute vyvaacuteženiacute ktereacute pouhyacutem
natočeniacutem po kružnici nelze vykompenzovat Použiacutevaacuteniacutem pouze balančniacuteho modulu typu
US by se dosaacutehlo sniacuteženiacute počtu součaacutestek ve vyacuterobniacutem procesu sniacuteženiacute naacutekladů na vyacuterobu
detektoru s modrou epoxidovou vyacuteplniacute detekčniacuteho prostoru a odstranil by se i probleacutem
vznikajiacuteciacute při osazeniacute těchto detektorů balančniacutemi moduly
Dalšiacute naacutevrh se tyacutekal materiaacutelu použiteacuteho na tuning block Snahou bylo zvyacutešit vliv
tuning bloku natolik aby bylo možneacute vynechat kompenzačniacute očko čiacutemž by došlo k urychleniacute
laděniacute Byly testovaacuteny materiaacutely FeNi47ln5 tloušťky 03 mm a FeNi42 tloušťky 04 mm Byl
zvolen tvar kteryacute umožňoval použitiacute staacutevajiacuteciacutech US modulů obr 310 Vliv tuning blocků
se sice zvyacutešil nicmeacuteně ne natolik aby mohlo byacutet vyvažovaciacute očko zcela vynechaacuteno
Obr 310 Prototypy tuning blocků z novyacutech materiaacutelů
36 Vyacutestupniacute kontrola Před samotnou expediciacute detektoru je nutneacute proveacutest kontrolu detekce Kvalita detekce
je ověřovaacutena třemi typy kontaminantů neželeznyacute - NONFE (mosaz) železnyacute - FE (chromovaacute
ocel) a nerezovyacute - SS (ANSI 304) K tomu jsou určeny přiacutepravky na obr 311 a 312 Jednaacute
se o kuličky definovanyacutech průměrů ktereacute jsou zaliteacute v plastovyacutech tyčinkaacutech opatřenyacutech
rozměrovou specifikaciacute kontaminantu Barva tyček odlišuje použityacute typ kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
26
Obr 311 Testovaciacute vzorky pro dopravniacutekoveacute detektory
Obr 312 Testovaciacute vzorky pro farmaceutickeacute detektory
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
27
4 Optimalizace a stiacuten ěniacute detektoru Jedniacutem z bodů teacuteto praacutece je navrženiacute optimalizaciacute průmysloveacuteho detektoru kovu z
hlediska kvality detekce a vyšetřeniacute elektromagnetickeacuteho pole s ohledem na rušiveacute vlivy Z
počaacutetku byly provaacuteděny pokusy se stiacuteněniacutem ciacutevek s ohledem na rušeniacute vnějšiacutem
elektromagnetickyacutem polem Prvniacute uacutevahy vedly k použitiacute stiacuteniacuteciacuteho materiaacutelu s velkou
permeabilitou kteryacute by do sebe soustředil většiacute množstviacute indukčniacutech čar unikajiacuteciacutech do okoliacute
a tiacutem omezil vnějšiacute rušeniacute Na zaacutekladě teacuteto uacutevahy byly testovaacuteny dva materiaacutely FeNi47ln5
tloušťky 03 mm a FeNi42 tloušťky 04 mm ktereacute mohou dosahovat relativniacute permeability až
micror_12106 [5] Těmito pokusy se sice sniacutežilo množstviacute indukčniacutech čar magnetickeacuteho pole
unikajiacuteciacuteho z detektoru ale vlivem přiacuteliš velkeacute permeability bylo ovlivněno i pole uvnitř
detekčniacuteho prostoru kde došlo ke sniacuteženiacute citlivosti Tento naacutevrh měl dalšiacute negativniacute faktory
jako je vysokaacute cena použityacutech materiaacutelů a omezeneacute vyacuterobniacute možnosti nedostačujiacuteciacute šiacuteřkou
paacutesů což by vedlo ke sklaacutedaacuteniacute plechů vedle sebe a tiacutem ke vzniku nehomogenit
Aby byly optimalizace efektivniacute je třeba znaacutet rozloženiacute elektromagnetickeacuteho pole
uvnitř detektoru a vlivy ktereacute na něj působiacute Proto bylo přistoupeno k využitiacute počiacutetačoveacuteho
softwaru Ansys Jednaacute se o profesionaacutelniacute software založenyacute na metodě konečnyacutech prvků Je
určen předevšiacutem pro simulace mechanickeacuteho namaacutehaacuteniacute ale umožňuje i řešeniacute teplotniacutech
elektromagnetickyacutech a sdruženyacutech poliacute [6] Ansys byl vybraacuten předevšiacutem pro možnost řešeniacute i
3D probleacutemů V teacuteto praacuteci bylo z důvodů vyacutepočetniacute naacuteročnosti a velkeacuteho množstviacute
jednotlivyacutech vyacutepočtů přistoupeno k řešeniacute probleacutemu pouze ve dvourozměrneacutem prostoru V
tomto přiacutepadě je řešeno nestacionaacuterniacute magnetickeacute pole ktereacute popisuje rovnice (41) [7]
( ) extr JArotdt
dABArotrot =timesminus+
minus γυγmicro1
(41)
kde
BArot = (42)
A magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel
micro permeabilita
Br remanentniacute indukce
B magnetickaacute indukce
γ měrnaacute elektrickaacute vodivost
ν rychlost pohybu tělesa v magnetickeacutem poli
Jext vektor vnějšiacute proudoveacute hustoty
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
28
41 Vyšet řovaacuteniacute vlivu pozice Rx vinutiacute Nejprve byly provedeny simulace staacutevajiacuteciacuteho zařiacutezeniacute o rozměrech detekčniacuteho otvoru
150 mm x 350 mm Zaacutekladniacute geometrie probleacutemu je na obraacutezku 41 Pro řešeniacute zaacutekladniacuteho
probleacutemu by bylo možneacute použiacutet symetrii modelu pokud však model doplniacuteme o kontaminant
možnost teacuteto symetrie odpadaacute Byly provedeny tři seacuterie vyacutepočtů ktereacute se lišily materiaacutelem
kontaminantu Každaacute seacuterie se sklaacutedala z 24 samostatnyacutech vyacutepočtů ve kteryacutech se postupně
měnila pozice kontaminantu tak jako je tomu při skutečneacute situaci na dopravniacutem paacutesu
Použityacutem APDL skriptem by bylo možneacute řešit i průchody kontaminantu v různyacutech vyacuteškaacutech
detekčniacuteho otvoru Pro potřeby těchto vyacutepočtů byl průchod zvolen středem jelikož je zde
citlivost detektoru nejnižšiacute Nutno poukaacutezat na skutečnost že kontaminant reprezentovanyacute
kružniciacute v řezu detektoru nelze považovat za kulovyacute nyacutebrž za vodič kruhoveacuteho průřezu
stejneacute deacutelky jako Tx respektive Rx vinutiacute Rozmeziacute pohybu kontaminantu bylo od -230 mm
do 230 mm vůči Tx vinutiacute s krokem 20 mm Obdeacutelniacuteky v okoliacute Tx vinutiacute byly vytvořeny za
uacutečelem možnosti zjemněniacute vyacutepočetniacute siacutetě v prostoru Tx a Rx vinutiacute Na obraacutezku 41 nejsou
namodelovaacuteny Rx ciacutevky neboť hodnota naindukovaneacuteho napětiacute byla ziacuteskaacutevaacutena v pěti
různyacutech vyacuteškovyacutech poziciacutech a bylo hodnoceno indukovaneacute napětiacute Ui
Obr 41 Zaacutekladniacute geometrie
nerezovyacute kryt
vodiče Tx vinutiacute
kontaminant
obdeacutelniacuteky vzduchoveacuteho okoliacute s jemnějšiacute vyacutepočetniacute siacutetiacute střed souřadneacuteho
systeacutemu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
29
411 Preprocessing - p řiacuteprava skriptu Nejprve bylo nutneacute zjistit geometrickeacute rozměry a materiaacuteloveacute konstanty zkoumaneacuteho
detektoru Geometrickeacute rozměry byly ziacuteskaacuteny z databaacuteze Solidworks modelů společnosti
Loma Systems sro V kapitole 71 je uacuteryvek APDL skriptu pro tvorbu geometrie
Materiaacutely použiteacute v modelu jsou vzduch vodiče Tx vinutiacute nerezovyacute obal detektoru a
materiaacutely kontaminantů V raacutemci zjednodušeniacute modelu nebyly uvažovaacuteny PVC izolace Tx
vinutiacute samotneacute Tufneloveacute jaacutedro a materiaacutel s niacutemž je prostor mezi jaacutedrem a nerezovyacutem
krytem vyplněn neboť tyto materiaacutely vykazujiacute z pohledu šiacuteřeniacute elektromagnetickeacuteho pole
stejneacute vlastnosti jako vzduch Konkreacutetniacute hodnoty materiaacutelovyacutech konstant viz tabulka 41
odpor Tx vinutiacute nebyl uvažovaacuten neboť jeho plochy byly zatiacuteženy definovanou proudovou
hustotou tudiacutež neniacute možneacute uvažovat přiacutepadně naindukovaneacute viacuteřiveacute proudy Daacutele bylo nutneacute
zvolit a spraacutevně nastavit použiteacute elementy modelu
Tab 41 Materiaacuteloveacute vlastnosti
měrnaacute
permeabilita [-] měrnyacute elektrickyacute
odpor [Ωm]
vzduch 1 -
Tx vinutiacute 1 -
nerezovaacute ocel (ANSI 304 DIN 14301)
1008 [10] 72010-7
neželeznyacute kontaminant (mosaz)
1 75010-8
železnyacute kontaminant (chromovaacute ocel)
400 12010-7
nerezovyacute kontaminant (ANSI 304 DIN 14301) 1008 72010-7
Jako elementy daneacuteho modelu byly zvoleny elementy PLANE53 určeneacute pro řešeniacute
magnetickeacuteho pole Jednaacute se o osmi uzloveacute elementy ktereacute mohou miacutet až čtyři stupně
volnosti na uzel Stupně volnosti mohou byacutet magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel (AZ) časově
integrovanyacute elektrickyacute skalaacuterniacute potenciaacutel (VOLT) elektrickyacute proud (CURR) a
elektromotorickaacute siacutela (EMF) [6] Geometrie elementu na obr 42
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
30
Obr 42 Geometrie elementu PLANE53 [6]
Uacuteryvek koacutedu v kapitole 72 obsahuje definovaacuteniacute materiaacutelovyacutech vlastnostiacute definovaacuteniacute
elementů a jejich nastaveniacute V dalšiacute časti bylo nutneacute jednotliveacute materiaacutely a elementy přiřadit
danyacutem plochaacutem
Daacutele bylo zapotřebiacute nastavit atributy pro automatickeacute siacuteťovaacuteniacute oblasti Je nutneacute aby v
tenkyacutech a malyacutech plochaacutech byla vyššiacute hustota siacutetě než na velkyacutech plochaacutech kde postačuje siacuteť
řidšiacute Velmi důležitaacute je kompatibilita siacutetě proto byla v okoliacute Tx vodičů vytvořena
obdeacutelniacutekovaacute oblast s hustšiacute siacutetiacute viz uacuteryvek koacutedu v přiacuteloze 73
Obr 43 Detailniacute pohled na siacuteť elementů
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
31
V posledniacute čaacutesti preprocessingu byla definovaacutena Dirichletova okrajovaacute podmiacutenka
udaacutevajiacuteciacute magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel roven nule na vnějšiacute hrany vzduchoveacuteho okoliacute a
průběh budiacuteciacute proudoveacute hustoty v Tx vodičiacutech V horniacutem a dolniacutem vodiči měly toky opačnyacute
smysl proto bylo nutneacute vytvořit dva vektory hodnot J1 (obr 44) a mJ1 V posledniacute řadě bylo
provedeno přiřazeniacute průběhů k plochaacutem viz kapitola 74
Obr 44 Průběh proudoveacute hustoty v ploše Tx vodiče
Ansys byl do Solution modu přepnut přiacutekazem SOL kde se provedlo nastaveniacute
analyacutezy a byl spuštěn vyacutepočet viz kapitola 76
412 Postprocessing - ziacuteskaacutevaacuteniacute vyacutesledk ů Ciacutelem teacuteto čaacutesti bylo zjištěniacute průběhů naindukovanyacutech napětiacute Ui v zaacutevislosti na čase
pro různeacute vyacuteškoveacute pozice přijiacutemaciacutech ciacutevek Rx Pro indukovaneacute napětiacute platiacute vztah
( )Vndt
dU i sdotΦminus= (43)
kde
( )TdxBlx
x
Yint sdotsdot=Φ2
1
(44)
n počet zaacutevitů Rx vinutiacute
l deacutelka Rx vinutiacute ve směru osy Z
x1 a x2 šiacuteřka Rx vinutiacute ve směru osy X
BY složka magnetickeacute indukce v ose Y
Zadaacuteniacutem souřadnic dvou bodů se nadefinovala uacutesečka (cesta) na kterou byly s určityacutem
J (Am-2)
kroky vyacutepočtu (-)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
32
krokem zaznamenaacuteny hodnoty magnetickeacute indukce BY Průběh BY v zaacutevislosti na souřadnici X
je na obr 45
Obr 45 Průběh magnetickeacute indukce BY v zaacutevislosti na souřadnici X
Obr 46 Průběh magnetickeacuteho toku Φ v zaacutevislosti na souřadnici X
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
33
Integrovaacuteniacutem průběhu BY se ziacuteskal průběh magnetickeacuteho indukčniacuteho toku Φ obr 46
Magnetickyacute indukčniacute tok Φ je roven určiteacutemu integraacutelu (rovnice 44) průběhu BY obr 45 Z
toho vyplyacutevaacute že magnetickyacute indukčniacute tok je roven posledniacute hodnotě průběhu na obr 46
Tato hodnota se vynaacutesobila deacutelkou Rx vinutiacute Postup vyacutepočtu se opakoval pro všechny pozice
Rx vinutiacute a to v každeacutem kroku transientniacute analyacutezy Tiacutem se ziacuteskala zaacutevislost magnetickeacuteho
indukčniacuteho toku Φ na čase t V programu MS Excel se vynaacutesobil tok počtem zaacutevitů Rx vinutiacute
a byla provedena derivace podle času (rovnice 43) Takto byly zpracovaacuteny vyacutesledky pro
všechny pozice kontaminantu vůči Tx vinutiacute APDL skript pro ziacuteskaacutevaacuteniacute hodnot viz kapitola
76 a v kapitole 77 je vyacutepis makra ktereacute uklaacutedaacute hodnoty do souboru
413 Hodnoceniacute vyacutesledk ů Vypočteneacute hodnoty Ui ve všech pěti vyacuteškovyacutech poziciacutech hrx byly vyneseny do grafů v
zaacutevislosti na čase Pokud se vynesou do jednoho grafu průběhy indukovanyacutech napětiacute pro
každou pozici kontaminantu v daneacute vyacutešce lze sledovat odezvu indukovaneacuteho napětiacute na
polohu kontaminantu Jelikož byly provedeny tři seacuterie vyacutepočtů s různyacutemi kontaminanty lze
porovnat i tvary přijiacutemanyacutech signaacutelu pro jednotliveacute materiaacutely Ciacutelem teacuteto čaacutesti je porovnat
signaacutely ziacuteskaacutevaneacute v různyacutech vyacuteškovyacutech polohaacutech Rx vinutiacute a vybrat nejvhodnějšiacute signaacutel pro
detekci
Na naacutesledujiacuteciacutech grafech jsou znaacutezorněny napěťoveacute průběhy během jedneacute periody v
zaacutevislosti na poloze kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
34
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 47 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 48 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
35
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 49 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 410 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
36
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 411 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 5)
Na obraacutezciacutech 47 až 411 jsou zobrazeny průběhy odpoviacutedajiacuteciacute průchodu železneacuteho
kontaminantu s relativniacute permeablitou 400 a měrnyacutem elektrickyacutem odporem 10210-7 Ωm Na
průběziacutech 47 48 a 411 lze pozorovat sice nižšiacute hodnotu signaacutelu ale celkovaacute deformace
během průchodu kontaminantu je většiacute
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 412 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
37
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 413 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 414 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
38
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 415 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 416 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce5)
Na obraacutezciacutech 412 až 416 jsou zobrazeneacute průběhy odpoviacutedajiacuteciacute průchodu kontaminantu z
nerezu ANSI 304 s relativniacute permeablitou 1008 a měrnyacutem elektrickyacutem odporem 7210-7
Ωm Při porovnaacuteniacute s předchoziacutem kontaminantem je změna signaacutelu nižšiacute což odpoviacutedaacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
39
předpokladům o obtiacutežnějšiacute detekci nerezovyacutech kontaminantů
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 417 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 418 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
40
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 419 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 420 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
41
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 421 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 5)
Na obraacutezciacutech 417 až 421 jsou zobrazeny průběhy odpoviacutedajiacuteciacute neželezneacutemu
kontaminantu (mědi) s parametry relativniacute permeablita 1 a měrnyacute elektrickyacute odpor 7510-8
Ωm Průběh signaacutelu je velmi podobnyacute signaacutelům nerezoveacuteho kontaminantu
Porovnaacuteniacutem všech grafů (obr 47 - obr 422) je obecně vidět že u průběhů ve vyacutešce
3 a 4 je zisk signaacutelu pro všechny modelovaneacute kontaminanty největšiacute Dochaacuteziacute zde ale ke
změně amplitudy pouze v jednom smyslu což z hlediska vyhodnocovaciacutech algoritmů zlepšeniacute
detekce vylučuje Naproti tomu je u signaacutelu ve vyacutešce 5 znatelně vyššiacute amplituda než v
použiacutevaneacute vyacutešce 2 Na zaacutekladě tohoto zjištěniacute bude zhotoven prototyp detektoru za uacutečelem
ověřeniacute teoretickyacutech vyacutesledků
Na obraacutezku 422 je ukaacutezka grafickeacuteho vyacutestupu zobrazujiacuteciacuteho vektory proudoveacute
hustoty naindukovaneacute v nerezoveacutem krytu a v kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
42
Obr 422 Vektory proudovyacutech hustot naindukovanyacutech do kontaminantu a nerezoveacuteho krytu
Obraacutezek 423 zobrazuje kontury magnetickeacuteho pole ve stejneacutem časoveacutem kroku jako obr
422 Pole ktereacute je konturami zobrazeno je tvořeno praacutevě proudovou hustotou obr 422 Je
zde možneacute pozorovat jak se pole deformuje přiacutetomnyacutem kontaminantem
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
43
Obr 423 Kontury magnetickeacuteho vektoroveacuteho potenciaacutelu s viditelnou deformaciacute pole způsobenou
feromagnetickyacutem kontaminantem
42 Vyšet řovaacuteniacute množstviacute vyza řovaneacute energie V teacuteto čaacutesti se vychaacutezelo z předpokladu že intenzita elektromagnetickeacuteho pole uvnitř
detektoru je mnohem většiacute než elektromagnetickyacute šum kteryacute do detektoru vnikaacute z okoliacute
Proto lze předpoklaacutedat že rušeniacute bude způsobeno předevšiacutem deformaciacute vlastniacuteho
vyzařovaneacuteho pole v bliacutezkeacutem okoliacute detektoru To vede ke snaze snižovat množstviacute vlastniacuteho
vyzaacuteřeneacuteho pole ven z detektoru aby nemohlo byacutet deformovaacuteno okolniacutemi předměty
421 Řešeniacute probleacutemu Bylo porovnaacuteno pět variant detektorů bez průchodu kontaminantu Každaacute varianta se
řešila jedniacutem vyacutepočtem z čehož plyne malaacute časovaacute naacuteročnost a proto byly probleacutemy řešeny
bez využitiacute symetrie Prvniacute byl staacutevajiacuteciacute detektor o tloušťce kryciacuteho nerezoveacuteho plechu 3 mm
druhyacute byl stejneacute geometrie ale za použitiacute silnějšiacuteho 5 mm tlusteacuteho nerezu Třetiacute typ měl
tloušťku 3 mm ale na horniacute a dolniacute stěně bylo přidaacuteno dalšiacute stiacuteněniacute z nerezu ve tvaru T (obr
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
44
426) Posledniacute dva naacutevrhy měly pravouacutehlyacute tvar krytu celkově menšiacutech rozměrů z nichž jeden
byl jednoduchyacute o tloušťce 3 mm (obr 427) a druhyacute měl shora a zdola dvojiteacute dno z nerezu
tloušťky 3 mm (obr_428) Touto metodou by se dalo porovnaacutevat mnohem většiacute množstviacute
provedeniacute ktereacute by se mohly lišit i použityacutem materiaacutelem Vzduchoveacute okoliacute detektoru bylo
rozděleno na čtyři sektory v nichž se sečetly hodnoty magnetickeacute energie jednotlivyacutech
elementů v každeacutem kroku analyacutezy a tiacutem se ziacuteskal průběh množstviacute energie v daneacutem prostoru
na čase Objemovaacute hustota magnetickeacute energie byla zjišťovaacutena ve všech plochaacutech daneacute
geometrie a bylo možno sledovat jak se energie v čase přemisťuje
Obr 424 Geometrie varianty 3 mm
Obr 425 Geometrie varianty 5 mm
Obr 426 Geometrie varianty 3 mm-stineni
Obr 427 Geometrie varianty novy 1
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
45
Obr 428 Geometrie varianty novy 2
Přiacuteprava skriptů se od předchoziacutech vyacutepočtů lišila pouze v geometrii jinak byla
principiaacutelně stejnaacute Rozdiacutel byl však v čaacutesti post-processingu (ziacuteskaacutevaacuteniacute vyacutesledků) Aby bylo
možno přistupovat k jednotlivyacutem sektorům musel byacutet každyacute sektor definovaacuten vlastniacutem typem
elementů (elementy byly použity stejneacute jednaacute se pouze o čiacuteslovaacuteniacute) Byly použity osmkraacutet
elementy PLANE53
ET153 Tx vinuti ET253 prostor uvnitr detektoru ET353 nerezovy obal ET453 detekcni prostor ET553 vzduchove okoli - horni ET653 vzduchove okoli - pravy ET753 vzduchove okoli - dolni ET853 vzduchove okoli - levy
Přiacuteklad načiacutetaacuteniacute vyacutesledků pro jeden typ elementů
POST1 prepnutiacute do postprocesoru allsel oznaceni vsech elementu vytvoreni pole pro ukadani hodnot DIMenergie1TABLEkroku11timeE zapsani nulovych hodnot na zacatek vektoru vysledku energie1(00)=0 energie1(01)=0 cyklus ve kterem se nacitaji vysledky jednotlivych kroku simulace doi1kroku1 APPEND 1 i nacteni daneho kroku eseltype1 vybrani elementu typu 1 GET e_count1 ELEM count vraci mnozstvi elementu daneho typu GET e_next ELEM 0 NXTH vraci nejnizsi adresu elementu daneho typu v promenne e_next energ1=0 vynulovani promenne cyklus ktery postupne prochazi vsechy elementy daneho typu doj1e_count11 GET e_energ1 ELEM e_next SENE ulozi do promene e_energ1 mnozstvi energie v elementu s adresou e_next
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
46
GET e_next ELEM e_next NXTH posune adresu elementu o jedna energ1=energ1+e_energ1 pricte mnozstvi energie e_energ1 do kumulativni promnenne energ1 enddo konec vnitrniho cyklu energie1(i0)=i zapise do pole vysledku cislu jirju simulace energie1(i1)=energ1 zapise do pole vysledku mnozstvi energie v cele plose s elementy daneho typu enddo konec vnejsiho cyklu zapis_energ zavolani makra pro zapis vysledku do souboru
422 Hodnoceniacute vyacutesledk ů V jednotlivyacutech sektorech se provedla suma magnetickeacute energie pro každyacute krok
simulace Vyacutesledkem jsou průběhy množstviacute energie v daneacute ploše v zaacutevislosti na krociacutech
simulace (čase) Jednotliveacute varianty byly hodnoceny na zaacutekladě porovnaacuteniacute průběhů se
staacutevajiacuteciacutem detektorem
Energie v Tx vinutiacute
000E+00
100E-03
200E-03
300E-03
400E-03
500E-03
600E-03
700E-03
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 429 Energie v Tx vinutiacute
Na grafu (obr 429) je vidět že množstviacute energie v Tx vinutiacute neniacute zaacutevisleacute na geometrii a je
daacuteno budiacuteciacutem signaacutelem v Tx vinutiacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
47
Energie unit ř detektoru
000E+00
200E-02
400E-02
600E-02
800E-02
100E-01
120E-01
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 430 Energie uvnitř detektoru
Na obr 430 je znaacutezorněno množstviacute energie v prostoru detektoru do ktereacuteho neniacute
započiacutetaacutena detekčniacute oblast ta je zobrazena na obr 432 V teacuteto čaacutesti neniacute pozorovaacutena žaacutednaacute
vyacuteraznaacute změna
Energie v nerezoveacutem obalu
000E+00
500E-05
100E-04
150E-04
200E-04
250E-04
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 431 Energie v nerezoveacutem obalu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
48
Vyacuteraznějšiacute změny se odehraacutevajiacute v nerezoveacutem obalu Nejmenšiacute množstviacute energie je v klasickeacute
3 mm tlusteacute a v 5 mm tlusteacute variantě U klasickeacute varianty se stiacuteněniacutem a u novyacutech naacutevrhů je
naacuterůst způsoben přibliacuteženiacutem nerezu k Tx vinutiacute
Energie v prostoru detek čniacuteho otvoru
000E+00
500E-03
100E-02
150E-02
200E-02
250E-02
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 432 Energie v prostoru detekčniacuteho otvoru
V oblasti detekčniacuteho otvoru je snaha o uchovaacuteniacute co největšiacuteho množstviacute energie neboť
zmenšeniacute energie vede ke sniacuteženiacute odezvy na kontaminant tedy ke sniacuteženiacute citlivosti detektoru
Z obr 432 je patrneacute že geometrickeacute uacutepravy detektoru (3 mm se stiacuteněniacutem novy 1 a novy 2)
vedou ke sniacuteženiacute množstviacute energie v tomto prostoru
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
49
Energie v horniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
100E-07
200E-07
300E-07
400E-07
500E-07
600E-07
700E-07
800E-07
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 433 Energie v horniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Energie v dolniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
100E-07
200E-07
300E-07
400E-07
500E-07
600E-07
700E-07
800E-07
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 434 Energie v dolniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Porovnajiacute-li se obr 433 a 434 je u variant 1 - 3 možneacute pozorovat rozdiacutely mezi horniacute a dolniacute
plochou Je zde na prvniacute pohled vidět jak horniacute oblouk snižuje množstviacute energie unikajiacuteciacute do
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
50
okoliacute Jako uacutečinneacute se z pohledu těchto sektorů jeviacute varianta klasickeacuteho detektoru se stiacuteněniacutem a
novyacute naacutevrh s dvojityacutemi stěnami
Energie v praveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
500E-06
100E-05
150E-05
200E-05
250E-05
300E-05
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 435 Energie v praveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Energie v leveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
500E-06
100E-05
150E-05
200E-05
250E-05
300E-05
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 436 Energie v leveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
51
Pravyacute a levyacute sektor je z důvodů symetrie stejnyacute na obrazciacutech 435 a 436 lze pozorovat tzv
metal free zoacutenu kteraacute se u detektorů udaacutevaacute Jednaacute se o prostor před a za detekčniacutem otvorem
ve ktereacutem se nesmiacute nachaacutezet žaacutednyacute kovovyacute materiaacutel (z důvodu ovlivňovaacuteniacute pole) snahou je
tuto zoacutenu co nejviacutece zmenšit Z grafů je patrneacute že novyacute naacutevrh s dvojityacutemi stěnami vykazuje
nejmenšiacute množstviacute energie v teacuteto oblasti Naopak u klasickeacute varianty se stiacuteněniacutem došlo k
vytlačeniacute pole z vnitřku detektoru praacutevě do těchto okolniacutech zoacuten
Na zaacutekladě těchto poznatků bude provedeno ověřeniacute na skutečnyacutech zařiacutezeniacutech Mezi
použitelneacute varianty připadaacute klasickaacute konstrukce doplněnaacute o stiacuteněniacute a novyacute naacutevrh s dvojityacutemi
stěnami U toho je však velkaacute hrozba sniacuteženiacute citlivosti způsobeneacute menšiacutem množstviacutem energie
v detekčniacutem prostoru
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
52
5 Zaacutevěr Ciacutelem předklaacutedaneacute praacutece je zlepšeniacute činnosti detektorů kovů přiacutepadně uacuteprava
technologie vyacuteroby při současneacutem sniacuteženiacute vyacuterobniacutech naacutekladů Předpokladem uacutespěšnyacutech
naacutevrhů byla podrobnaacute studie činnosti a principu těchto zařiacutezeniacute kteraacute jsou vyacuterobcem po
několik let uacutespěšně prodaacutevaacutena na světovyacutech trziacutech
Na zaacutekladě těchto požadavků byly provedeny některeacute testy ktereacute měly ověřit
předpoklaacutedanaacute zlepšeniacute Nejširšiacute možnosti přinaacutešiacute modelovaacuteniacute magnetickeacuteho pole
průmyslovyacutech detektorů počiacutetačovou simulaciacute kteraacute je zatiacutem schopna řešit zadaneacute probleacutemy
v dvourozměrneacutem prostoru Nejčastěji řešeneacute probleacutemy jsou staacutele spojeny se zaacutekladniacutem
principem činnosti těchto zařiacutezeniacute tj vlivem a působeniacutem kontaminantu na
elektromagnetickeacute pole buzeneacute ciacutevkami uvnitř detektoru a nepřiacuteznivyacute vliv vnějšiacutech rušivyacutech
poliacute např při současneacute činnosti sousedniacutech detektorů Dalšiacutem zdrojem rušivyacutech magnetickyacutech
poliacute může byacutet i činnost a přiacutetomnost různyacutech elektrickyacutech zařiacutezeniacute probleacutem spojenyacute s
vhodnyacutem materiaacutelem a tvarem stiacuteněniacute těchto zařiacutezeniacute
Vzhledem k maximaacutelniacute citlivosti elektronickyacutech obvodů a požadovaneacute pečlivosti při
balancovaacuteniacute (vyvažovaacuteniacute) se vyskytuje probleacutem kteryacute souvisiacute se staacutelostiacute nastaveniacute detektoru
při mechanickeacutem otřesu přiacutepadně odstraněniacute změn ke kteryacutem dochaacuteziacute vlivem dopravy
Dalšiacutem plaacutenovanyacutem krokem je namodelovaacuteniacute probleacutemu v trojrozměrneacutem prostoru od
ktereacuteho je očekaacutevaacuteno zohledněniacute dalšiacutech vlivů a tiacutem zpřesněniacute samotneacuteho vyacutesledku
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
53
6 Použitaacute literatura [1] Internetoveacute straacutenky společnosti Loma Systems sro
httpwwwlomacom_czindexshtml
[2] Haacutejek J Jarchovskyacute Z Detektory kovů - naacutevod na stavbu nakladatelstviacute BEN Praha
2010
[3] Beneda L Detektory kovů bakalaacuteřskaacute praacutece ZČU Plzeň 2010
[4] Internetoveacute straacutenky společnosti Ad controls sro
httpwwwadcontrolsczdetektory_kovu_zakladni_pojmy
[5] KOVOHUTĚ ROKYCANY as COMTES FHT as MATEX sro Průběžnaacute
zpraacuteva k projektu FeNi - čj 1021207 - 32 za rok (2007 - 2009)
[6] Ansys Inc ANSYS HELP Release 130 Dokumentace k programu
[7] Karban P a kolektiv autorů Aplikace teoretickeacute elektrotechniky Skripta ZČU Plzeň
2011
[8] Benešovaacute Z Ulrych B Přiacuteručka pro použitiacute programů ve vyacuteuce teorie
elektromagnetickeacuteho pole Skripta ZČU Plzeň 1997
[9] Loma Systems sro Knowledge Base - Interniacute dokumentace společnosti
[10] Internetoveacute straacutenky společnosti Aerospace specification metals Inc
httpasmmatwebcomsearchSpecificMaterialaspbassnum=MQ304A
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
1
7 Přiacutelohy
71 Tvorba geometrie PREP7 prepnuti do rezimu preprocesingu jj=8 index polohy kontaminantu r1=05e-3 polomer Tx vodice 05 mm r2=15e-3 polomer kontaminantu 15 mm c=90e-3 sirka Rx civek h=1767e-3 vzdalenost mezi Tx vinutim hrx=(h2)+526e-3 zakladni vyskova poloha mezi Rx civkami hss=175e-3 vyska nerezoveho krytu wss=150e-3 sirka nerezoveho krytu tss=3e-3 tloustka nerezove steny hd=h-227e-3 vyska detekcniho otvoru wok=1000e-3 sirka vzduchoveho okoli hok=1000e-3 vyska vzduchoveho okoli wkon=(-250e-3)+(jj20e-3) poloha kontaminantu na ose X tvorba geometrickych bodu nerezoveho krytu K1022589e-30 K2022185e-30 K3-7907e-321208e-30 K4-78e-32085e-30 K57907e-321208e-30 K678e-32085e-30 K7-wsshss0 K8-wss+tsshss-tss0 K9wsshss0 K10wss-tsshss-tss0 K11-wss-hss0 K12-wss+tss-hss+tss0 K13wss-hss0 K14wss-tss-hss+tss0 vytvoreni ploch definovanymi body FLST273 FITEM27 FITEM23 FITEM21 FITEM25 FITEM29 FITEM213 FITEM211 AP51X FLST273 FITEM28 FITEM24 FITEM22 FITEM26 FITEM210 FITEM214 FITEM212 AP51X CYL40h2r1 plocha horniho Tx vodice CYL40-h2r1 ploch dolniho Tx vodice BLC50((h2)+hrx)2100e-310e-3 plocha horniho vzduchoveho okoli Tx vodice BLC50-((h2)+hrx)2100e-310e-3 plocha dolniho vzduchoveho okoli Tx vodice BLC5002wsshd plocha detekcniho ootvoru APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch odstraneni ploch ktere budou sjednoceny se vzduchovym okolim
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
2
FLST255ORDE4 FITEM210 FITEM2-12 FITEM215 FITEM218 ADELEP51X BLC500wokhok vytvoreni plochy vzduchoveho okoli APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch CYL4wkon0r2 vytvoreni plochy kontaminantu APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch konec tvorby geometrickeho modelu
72 Definice element ů materiaacutel ů a jejich p řiřazeniacute k plochaacutem definovani materialu MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX11 material 1 Tx permeabilita 1 MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX21 material 2 Air permeabilita 1 MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX31008 material 3 nerezovy kryt SS ANSI 304 permeabilita MPTEMP MPTEMP10 MPDATARSVX372e-7 material 3 nerezoovy kryt SS Ansi 304 rezistivita MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX4400 material 4 Kontaminant permeabilita MPTEMP MPTEMP10 MPDATARSVX4102e-7 material 4 Kontaminant rezistivita definovani elementu ET153 Tx civky ET253 Vzduch ET353 nerezovy kryt ET453 kontaminant nastaveni elementu KEYOPT110 Tx civky KEYOPT120 KEYOPT130 KEYOPT140 KEYOPT150 KEYOPT170 KEYOPT210 Air KEYOPT220 KEYOPT230 KEYOPT240 KEYOPT250 KEYOPT270 KEYOPT310 SS KEYOPT320 KEYOPT330 KEYOPT340 KEYOPT350
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
3
KEYOPT370 KEYOPT410 kontaminant KEYOPT420 KEYOPT430 KEYOPT440 KEYOPT450 KEYOPT470 prirazeni elementu a materialum k plocham FLST525ORDE2 Tx FITEM58 FITEM5-9 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 1 1 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 FLST535ORDE3 Air FITEM53 FITEM516 FITEM5-17 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 2 2 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 FLST525ORDE2 SS FITEM513 FITEM5-14 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 3 3 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 CM_YAREA kontaminant ASEL 1 CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 4 4 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
4
73 Siacuteťovaacuteniacute oblastiacute FLST275ORDE7 FITEM21 FITEM28 FITEM2-9 FITEM213 FITEM2-14 FITEM216 FITEM2-17 AESIZEP51X00005 nastaveni delky steny elementu 00005 m FLST215ORDE1 FITEM23 AESIZEP51X001 nastaveni delky steny elementu 001 m MSHAPE12D nastaveni 2D trojuhelnikove site MSHKEY0 FLST585ORDE8 FITEM51 FITEM53 FITEM58 FITEM5-9 FITEM513 FITEM5-14 FITEM516 FITEM5-17 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CHKMSHAREA CMSELS_Y AMESH_Y1 spusteni automatickeho sitovani CMDELE_Y CMDELE_Y1 CMDELE_Y2
74 Okrajovaacute podmiacutenka a nastaveniacute budiciacuteho pr ůběhu okrajova podminka FLST244ORDE4 FITEM214 FITEM212 FITEM27 FITEM25 DLP51X AZ0 nastaveni zatizeni parametry budici proudove hustoty f=35e3 frekvence signalu [Hz] part=600 pocet kroku signalu T_min=0 pocatek casove osy T_max=1f konec casove osy dt=T_maxpart casovy krok parametry prudove hustoty pi=4atan(1) s=pir12 I=600sqrt(2) N1=1 J1_a=IN1s definovani vzestupne casti pulsu tau=3 DIMJexTABLE5011timeJ Jex(11)=0
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
5
Jex(10)=0 doi2501 Jex(i1)=(J1_a)(1-exp(-itau)) Jex(i0)=(i) enddo definovani sestupne casti pulsu tau=3 DIMJex1TABLE5011timeJ Jex1(11)=J1_a Jex1(10)=0 doi2501 Jex1(i1)=(J1_a)(exp(-itau)) Jex1(i0)=(i) enddo sestaveni celeho pulsu DIMJex2TABLE10011timeJ Jex2(11)=0 Jex2(10)=0 doi2501 Jex2(i1)=Jex(i1) Jex2(i0)=(i) enddo doi511001 Jex2(i1)=Jex1(i-501) Jex2(i0)=(i) enddo priprava nulovych vektoru kladneho a zaporneho prubehu J DIMJ1TABLE60011timeJ DIMmJ1TABLE60011timeJ doi16001 J1(i0)=(i-1)dt time J1(i1)=0 J mJ1(i0)=(i-1)dt time mJ1(i1)=0 -J enddo vlozeni prvniho pulsu doi11001 J1(i1)=Jex2(i1) mJ1(i1)=-Jex2(i1) enddo vlozeni druheho pulsu doi3004001 J1(i1)=-Jex2(i-3001) mJ1(i1)=Jex2(i-3001) enddo prirazeni prubehu k plocham PREP7 FLST215ORDE1 FITEM28 BFAP51XJSJ1 FLST215ORDE1 FITEM29 BFAP51XJSmJ1
75 Nastaveniacute analyacutezy SOL prepnuti do Solution modu - nastaveni analyzy kroku=300 pocet kroku simulace ANTYPE4 TRNOPTFULL
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
6
NSUBSTkroku00 OUTRESERASE OUTRESALL1 TIMET_max solve spusti vypocet ulohy
76 Postprocessing POST1 prepne do Preprocesing modu krokyb=200 pocet kroku na delku coilgapu L=03 delka Rx snimace hrx1=(h2)+10e-3 jednotlive vyskove pozice Rx vinuti hrx2=(h2)+526e-3 hrx3=(h2) hrx4=((h2)-526e-3) hrx5=((h2)-10e-3) vytvoreni pole hodnot - 10 sloupcu x 300 radku sloupce odpovidaji poctu jednotlivych civek 2x5 (5 poloh horni a dolni civka) DIMTOKTABLEkroku101SUBSTEP TOK(00)=0 TOK(01)=0 TOK(02)=0 TOK(03)=0 TOK(04)=0 TOK(05)=0 TOK(06)=0 TOK(07)=0 TOK(08)=0 TOK(09)=0 TOK(010)=0 dok1kroku1 hlavni cyklus pocet cyklu odpovida poctu kroku analyzy APPEND 1 k nacteni k-teho kroku analyzy tato cast kodu je nutna pro kazdou civku zvlast (10x se opakuje) PATHHORNI26krokyb-1 definovani cesty horni civky PPATH10-c2hrx10 levy koncovy bod PPATH20c2hrx10 pravy koncovy bod PDEF BYAVG namapovani Y-slozky magneticke indukce B PCALCINTGINT_HORBYXGL vypocet integralu z By podle dX PBCPATH 0 PAGETHORNI1_TABL ulozeni hodnot ziskanych na definovane ceste do pole HORNI1_ PADELALL smazani cesty i s hodnotamy (pole HORNI1_ zustava) konec opakujici se casti prirazovani posledni hodnoty integralu do prislusneho pole vysledku TOK(k0)=k casova osa TOK(k1)=HORNI1_(krokyb6) TOK(k2)=DOLNI1_(krokyb6) TOK(k3)=HORNI2_(krokyb6) TOK(k4)=DOLNI2_(krokyb6) TOK(k5)=HORNI3_(krokyb6) TOK(k6)=DOLNI3_(krokyb6) TOK(k7)=HORNI4_(krokyb6) TOK(k8)=DOLNI4_(krokyb6) TOK(k9)=HORNI5_(krokyb6) TOK(k10)=DOLNI5_(krokyb6) DELPRM_ smaze vsechny pole vysledku koncici znakem _ enddo konec cyklu zapis_tok odkaz na skript pro zapsani pole vysledku do souboru txt
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
7
77 Makro Vyacutepis makra ktereacute uklaacutedaacute hodnoty do souboru tok_fitxt
MWRITETOK(111)tok_fitxt vytvori soubor tok_fitxt a ulozi do
nej matici vysletku TOK
(10E135) urcuje format zapisu hodnot - 10
sloupcu cisel o celkove delce 13ti
znaku z toho 5 za desetinou teckou
CFCLOS uzavre soubor
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
8
Eviden čniacute list
Souhlasiacutem s tiacutem aby moje bakalaacuteřskaacute praacutece byla půjčovaacutena k prezenčniacutemu studiu v
Univerzitniacute knihově ZČU v Plzni
Datum Podpis
Uživatel stvrzuje svyacutem čitelnyacutem podpisem že tuto bakalaacuteřskou praacuteci použil ke studijniacutem
uacutečelům a prohlašuje že ji uvede mezi použityacutemi prameny
Jmeacuteno Fakultakatedra Datum Podpis
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
16
Obr 28 Třiacute ciacutevkoveacute uspořaacutedaacuteniacute detektoru společnosti Loma Systems sro
Kvalita detektoru je daacutena předevšiacutem ciacutevkovou soustavou a neměnnostiacute jejiacutech vlastnostiacute a daacutele
volbou pracovniacuteho kmitočtu Špičkou mezi dnešniacutemi detektory jsou zařiacutezeniacute umožňujiacuteciacute
činnost při různyacutech budiacuteciacutech kmitočtech Vyacutehodou těchto systeacutemů je možnost použiacutevat viacutece
zařiacutezeniacute bliacutezko u sebe a hlavně možnost použitiacute různyacutech frekvenciacute pro rozdiacutelneacute produkty s
ohledem na citlivost a kvalitu detekce
3 Zařiacutezeniacute spole čnosti Loma Systems sro Podmiacutenkou k dalšiacute vyacutevojoveacute činnosti je podrobnaacute znalost vyraacuteběnyacutech zařiacutezeniacute a
vyacuterobniacutech technologiiacute v daneacutem podniku
Obr 31 Detektor kovů IQ3 s dotykovyacutem ovlaacutedaacuteniacutem společnosti Loma Systems sro [1]
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
17
31 Obecneacute informace Jsou vyraacuteběny dva typy detektorů ktereacute pracujiacute na stejneacutem principu ale lišiacute se
vysiacutelaciacutemi průběhy budiacuteciacuteho napětiacute a možnostiacute pracovat na různyacutech kmitočtech
Staršiacute model označenyacute jako IQ2 je vyraacuteběnyacute ve třech variantaacutech jako farmaceutickyacute
detektor detektor s volnyacutem propadem produktu nebo detektor s produktem dopravovanyacutem
potrubiacutem Posledniacute dva jmenovaneacute jsou takeacute vyraacuteběny na zaacutekladě technologie IQ3 Tento
systeacutem umožňuje činnost detektoru na různyacutech budiacuteciacutech kmitočtech a je použit hlavně u
dopravniacutekovyacutech detektorů Detektor IQ2 pracuje na neměnneacute frekvenci 1 MHz
Dopravniacutekoveacute detektory jsou vyraacuteběny ve dvou variantaacutech normaacutelniacute (detekčniacute otvor
maacute stěny opatřeneacute vrstvou modreacuteho epoxidu) a detektory pro extreacutemně nepřiacutezniveacute podmiacutenky
(stěny detekčniacuteho otvoru jsou pokryty odolnyacutem plastem) ktereacute odolaacutevajiacute i vysokotlakeacutemu
vodniacutemu čištěniacute Obě varianty jsou vhodneacute i pro použitiacute v potravinaacuteřskeacutem průmyslu
Všechny detektory jsou schopny pracovat při siacuteťoveacutem napětiacute 110115200220230 V
50 nebo 60 Hz 1f 380400 V 5060 Hz 3f a majiacute stupeň krytiacute IP 69K což umožňuje uacutedržbu
vysokotlakyacutemi vodniacutemi čističi Ovlaacutedaacuteniacute a komunikace s detektorem je zajištěna LCD
displejem s tlačiacutetky nebo displejem dotykovyacutem Každyacute detektor je vybaven releacuteovyacutemi
vyacutestupy jimiž je možno ovlaacutedat chod dopravniacuteku vyřazovaciacute systeacutem signalizačniacute lampy či
klakson
Detektor jako takovyacute se sklaacutedaacute z jedneacute čaacutesti kde je jak samotnyacute detekčniacute otvor tak i
veškeraacute elektronika Detekčniacute otvor tvořiacute jaacutedro z tvrzeneacuteho papiacuteru (Tufnol) do ktereacuteho jsou
vlepeny vodiče ciacutevek Stěny detekčniacuteho otvoru jsou opatřeny modryacutem epoxidem nebo biacutelyacutem
polyethylenem (Acetal) kteryacute maacute většiacute mechanickou odolnost Celeacute zařiacutezeniacute je uzavřeno v
obalu z nerezoveacute oceli ANSI 304 (DIN 14301) tloušťky 3 mm Prostor mezi jaacutedrem a
nerezovyacutem obalem je vyplňovaacuten pěnivyacutem epoxidem
Elektronika detektoru obsahuje tři desky plošnyacutech spojů a ovlaacutedaciacute displej Hlavniacute
čaacutestiacute je řiacutediacuteciacute deska (Control board) na ktereacute se nachaacuteziacute blok napaacutejeciacuteho zdroje
vyhodnocovaciacute obvody paměti AD převodniacuteky signaacutelu a vstupniacutevyacutestupniacute obvody Dalšiacutemi
čaacutestmi jsou vysiacutelaciacute deska (Transmitter board) a deska přijiacutemače (Receiver board)
32 Vysiacutelaciacute čaacutest - Tx Postupneacute upouštěniacute od vyacuteroby zastaraleacute verze detektorů IQ2 je důvodem pro zaměřeniacute
teacuteto praacutece na detektory IQ3 Systeacutem IQ3 je multifrekvenčniacute založenyacute na balančniacutem principu
Oproti standardniacutem balančniacutem detektorům je zde vysiacutelaciacute ciacutevka buzena nespojityacutem signaacutelem
Vyacutehodou použitiacute tohoto signaacutelu je snadnaacute změna frekvence možnost řiacutezeniacute vysiacutelaciacuteho vyacutekonu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
18
a celkoveacute zvyacutešeniacute kvality detekce neboť rychlyacutem změnaacutem budiacuteciacuteho proudu odpoviacutedaacute velkaacute
změna magnetickeacuteho indukčniacuteho toku Dle Faradayova indukčniacuteho zaacutekona je velikost
indukovaneacuteho napětiacute daacutena rychlostiacute změny magnetickeacuteho indukčniacuteho toku (31)
tU i ∆
∆Φminus= (31)
Činnost Tx boardu (vysiacutelaciacute desky) je řiacutezena mikrokontrolerem kteryacute komunikuje s
Control boardem seacuteriovyacutem rozhraniacutem Deska umožňuje kontrolu napaacutejeniacute vysiacutelaciacuteho proudu
teploty a přiacutepadneacute přerušeniacute Tx vinutiacute (vysiacutelaciacute ciacutevky) Mikrokontroler řiacutediacute jak vysiacutelaciacute
průběh tak vyhodnocovaciacute obvody ktereacute jsou na Rx boardu (přijiacutemaciacute deska)
Na Tx board jsou přivaacuteděna napětiacute 12 V -12 V proti zemi použiacutevanaacute k buzeniacute Tx
vinutiacute Z kladneacuteho napětiacute se daacutele ziacuteskaacutevaacute napětiacute 33 V a 18 V pro napaacutejeniacute ostatniacutech obvodů
Budiacuteciacute signaacutel je kvůli požadovaneacutemu vysokeacutemu pulsniacutemu vyacutekonu odebiacuteraacuten z kondenzaacutetoroveacute
baterie Velikost odebiacuteraneacuteho proudu je měřena operačniacutem zesilovačem zapojenyacutem jako
převodniacutek IU
Vyacutekonovaacute čaacutest Tx boardu je tvořena čtyřmi MOSFET tranzistory řiacutezenyacutemi
mikrokontrolerem Vyacutekonoveacute tranzistory T1 až T4 jsou zapojeny dle obr 32
Obr 32 Zapojeniacute koncoveacute čaacutesti vysiacutelače
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
19
Vysiacutelaciacute ciacutevka je tvořena pouze jedniacutem zaacutevitem Cu draacutetu ϕ 1 mm jeho indukčnost a kapacita
je vzhledem k jeho vodivosti zanedbatelnaacute a při nižšiacutech frekvenciacutech se tedy chovaacute jako zkrat
Pokud je časovyacute posuv mezi U1 a U2 roven nule pak napětiacute UTX je takeacute rovno nule a Tx
ciacutevkou neteče žaacutednyacute proud obr 33
-12
-8
-4
0
4
8
12
16U1 (V)
-16
-12
-8
-4
0
4
8
12
16
000E+00 100E-05 200E-05 300E-05 400E-05 500E-05 600E-05
čas (s)
U2 (V)
Obr 331 Průběhy signaacutelů U1 a U2 přivaacuteděnyacutech na vyacutevody Tx vinutiacute V detektoru by se dala naměřit pouze elektrickaacute složka pole odpoviacutedajiacuteciacute původniacutemu signaacutelu
Pro detekci kovu je však důležiteacute elektromagnetickeacute pole kteraacute vznikaacute průchodem proudu
vinutiacutem Proudoveacuteho impulsu je dosaženo časovyacutem posunem mezi napětiacutemi U1 a U2
přivaacuteděnyacutemi na svorky Tx vinutiacute V tomto přiacutepadě potečou zkratoveacute proudoveacute pulsy
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
20
odpoviacutedajiacuteciacute připojeneacutemu napětiacute UTX viz obr 34 Vyacutekon detektoru je tedy řiacutezen časovyacutem
posunem mezi průběhy napětiacute U1 a U2 Tomuto časoveacutemu posuvu pak odpoviacutedaacute i velikost
odebiacuteraneacuteho proudu do Tx vinutiacute
-12
-8
-4
0
4
8
12
16U1 (V)
-12
-8
-4
0
4
8
12
16U2 (V)
000E+00 100E-05 200E-05 300E-05 400E-05 500E-05 600E-05
Čas (s)
I (A)
Obr 34 Časově posunutaacute napětiacute U1 U2 přivaacuteděnaacute na vyacutevody Tx vinutiacute a průběh proudu I v Tx vinutiacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
21
33 Přijiacutemaciacute čaacutest - Rx Zaacutekladem přijiacutemaciacute čaacutesti je soustava složenaacute ze dvou paralelně spojenyacutech Rx ciacutevek
podle obr 35 každaacute se dvěma zaacutevity U tohoto uspořaacutedaacuteniacute hraje důležitou roli smysl vinutiacute
Rx ciacutevek (označeniacute počaacutetku a konce vinutiacute) a jejich přesnaacute poloha Tx musiacute prochaacutezet přesně
v jedneacute polovině vzdaacutelenosti l
Obr 35 Geometrickeacute uspořaacutedaacuteniacute je voleno tak že pokud neprochaacuteziacute detektorem kontaminant napětiacute
indukovaneacute napaacutejenou ciacutevkou Tx do Rx ciacutevek je minimaacutelniacute
Jak bylo řečeno v kapitole 32 pro detekci kovu je podstatneacute elektromagnetickeacute pole
Elektrickeacute pole je odstraněno na primaacuterniacutem vinutiacute vstupniacuteho transformaacutetoru TR s dvojityacutem
primaacuterniacutem vinutiacutem zapojenyacutem proti sobě v poměru k sekundaacuterniacutemu vinutiacute 1+130 umiacutestěnyacutem
na Rx boardu Na obraacutezku 36 je zapojeniacute vstupniacuteho obvodu Rx boardu Elektrickaacute složka
pole maacute vůči zemi na obou vyacutevodech Rx ciacutevek stejnyacute průběh Primaacuterniacute vinutiacute TR maacute
vyvedenyacute střed na zem čiacutemž se elektrickaacute složka pole uzemniacute (teče proud) Protože jsou
Rx1 ciacutevka
Rx2 ciacutevka
Tx ciacutevka
l
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
22
průběhy na obou vyacutevodech stejneacute magnetickeacute toky v TR vyvolaneacute proudem působiacute proti sobě
a na sekundaacuterniacute vinutiacute se neindukuje žaacutedneacute napětiacute Dojde-li k narušeniacute magnetickeacuteho pole
uvnitř detekčniacuteho prostoru vznikaacute rozdiacutel naindukovaneacuteho napětiacute v leveacutem a praveacutem vodiči Rx
ciacutevky Tento rozdiacutel napětiacute maacute za naacutesledek tok proudu kteryacute se uzaviacuteraacute přes primaacuterniacute vinutiacute
TR1 a indukuje napětiacute na sekundaacuterniacute straně Toto napětiacute je daacutele zpracovaacutevaacuteno
Obr 36 Vstupniacute obvod Rx boardu
34 Princip vyhodnocovaacuteniacute Signaacutel na sekundaacuterniacutem vinutiacute transformaacutetoru TR je zpracovaacutevaacuten blokem obvodů pro
uacutepravu signaacutelu Ten obsahuje aktivniacute filtr a integračniacute člen s niacutezko-šumovyacutem operačniacutem
zesilovačem Za integračniacutem členem je měřiciacute bod kteryacute je využit při oživovaacuteniacute detektorů
Napětiacute Ub (balance signal) v tomto bodě se zobrazuje na osciloskopu a jeho maximaacutelniacute
hodnota by neměla přesaacutehnout 6 V špička - špička Čiacutem je rozkmit toho napětiacute nižšiacute tiacutem lze
dosaacutehnout vyššiacute citlivosti detektoru (kap 35 Vyvažovaacuteniacute detektoru) Nuloveacuteho rozkmitu
nelze dosaacutehnout mimo jineacute kvůli vyacuterobniacutem toleranciacutem zařiacutezeniacute a nehomogenitaacutem Citlivost
elektronickyacutech čaacutestiacute je velmi vysokaacute a uplatňujiacute se rušiveacute vlivy při jejich činnosti (vliv
teploty mechanickeacute chvěniacute) Napětiacute Ub odpoviacutedaacute vyrovnaacutevaciacutemu proudu v Rx ciacutevkaacutech
Přiacuteklad jeho průběhu bez kontaminantu je na obr 37
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
23
Obr 37 Přiacuteklad průběhu napětiacute Ub
Napětiacute Ub je přivaacuteděno na dva samostatneacute elektronickeacute obvody (řiacutezeneacute usměrňovače)
ovlaacutedaneacute řiacutediacuteciacutemi napětiacutemi z mikrokontroleru (na Tx boardu) Dvě řiacutediacuteciacute napětiacute jednoho
usměrňovače jsou vůči sobě o π posunuty a zaacuteroveň jsou posunuty o π2 proti dvěma řiacutediacuteciacutem
napětiacutem druheacuteho usměrňovače Vyacutesledkem jsou dva napěťoveacute signaacutely (P a Q) ktereacute jsou daacutele
zpracovaacutevaacuteny (integrace zesiacuteleniacute) s možnostiacute ručniacute volby zesiacuteleniacute ve čtyřech stupniacutech
(ovlaacutedaacuteniacute citlivosti detektoru) Tyto signaacutely jsou již nositelem informace a jsou na Control
boardu převedeny do digitaacutelniacute podoby Takto upraveneacute signaacutely jsou vyhodnocovaacuteny
algoritmy v hlavniacutem mikrokontroleru
35 Vyvažovaacuteniacute detektoru Zaacutekladem kvalitniacute a stabilniacute detekce je ciacutevkovyacute systeacutem Aby se dosaacutehlo co nejlepšiacuteho
vyvaacuteženiacute ciacutevek je nutnaacute přesnaacute bytelnaacute a rozměrově staacutelaacute konstrukce Detektory společnosti
Loma Systems sro majiacute ciacutevky uloženeacute ve vyfreacutezovanyacutech draacutežkaacutech a zajištěneacute epoxidovyacutem
lepidlem I přes to je detektor po osazeniacute elektronikou značně nevyvaacuteženyacute balančniacute napětiacute Ub
překračuje požadovanou hodnotu 6 V špička - špička natolik že může dojiacutet i k saturaci
elektronickyacutech obvodů Je tedy nutneacute ciacutevkovyacute systeacutem vyvaacutežit (vybalancovat)
Nejprve se provede hrubeacute laděniacute spočiacutevajiacuteciacute v tvarovaacuteniacute maleacute smyčky Tx vinutiacute v čele
detektoru obr 38
0 T2 T
25 V Ub
-25 V
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
24
Obr 38 Vyvažovaciacute očko na Tx vinutiacute a vlepenyacute pliacutešek uvnitř detekčniacuteho otvoru
Tato smyčka plniacute funkci kompenzačniacuteho vinutiacute po natvarovaacuteniacute je očko zaliteacute epoxidovyacutem
lepidlem U detektorů s vnitřniacute uacutepravou detekčniacuteho otvoru modryacutem epoxidem se do
detekčniacuteho otvoru daacutele vlepujiacute vyvažovaciacute pliacutešky různyacutech tvarů a velikostiacute (od 1 cm2 do 4
cm2) obr 38 ktereacute se naacutesledně zalijiacute do roviny modryacutem epoxidem Jako materiaacutel
vyvažovaciacutech pliacutešků je použita nerezovaacute ocel ANSI 304 (DIN 14301) tloušťky 2 mm Druhyacute
typ detektorů s odolnyacutem plastovyacutem povrchem (typ US) neumožňuje vlepovaacuteniacute pliacutešků
dovnitř detekčniacuteho otvoru Balancovaacuteniacute se tedy provaacutediacute přesnějšiacutem tvarovaacuteniacutem Tx očka
popřiacutepadě vlepovaacuteniacutem pliacutešků v jeho okoliacute
Pro jemneacute doladěniacute se u obou těchto variant (US typ a klasickyacute s modrou epoxidovou
vyacuteplniacute detekčniacuteho otvoru) osazujiacute balančniacute moduly obr 39 ktereacute na plastoveacutem otočneacutem diacutelu
majiacute tuning block o rozměrech cca 05 cm2 z 5 mm tlusteacuteho nerezu Oba balančniacute moduly
umožňujiacute pohyb tuning blocku v okoliacute vyvažovaciacuteho očka
Obr 39 Balančniacute moduly i s kryciacutemi plechy vlevo US vpravo klasickyacute
Tyto moduly nejsou přiacuteliš efektivniacute a sloužiacute pouze k miacuterneacutemu vyvaacuteženiacute Použiacutevajiacute se dva typy
Tuning block
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
25
těchto modulů podle varianty vnitřniacute vyacuteplně detektoru (US typ a klasickyacute s modrou
epoxidovou vyacuteplniacute detekčniacuteho otvoru) Jedniacutem z přijatyacutech naacutevrhů pro vylepšeniacute detektorů s
modrou epoxidovou vyacuteplniacute je použitiacute stejneacuteho balančniacuteho modulu jako u detektoru typu US
Vyacuterobniacute cena US balančniacuteho modulu je podstatně nižšiacute a umožňuje změnu polohy
vyvažovaciacuteho diacutelu nejen po obvodu kružnice ale i změnu vzdaacutelenosti mezi rovinami očka a
tuning bloku Změna teacuteto vzdaacutelenosti se využije v přiacutepadě kdy po osazeniacute detektoru s modrou
epoxidovou pryskyřiciacute balančniacutem modulem dojde ke zhoršeniacute vyvaacuteženiacute ktereacute pouhyacutem
natočeniacutem po kružnici nelze vykompenzovat Použiacutevaacuteniacutem pouze balančniacuteho modulu typu
US by se dosaacutehlo sniacuteženiacute počtu součaacutestek ve vyacuterobniacutem procesu sniacuteženiacute naacutekladů na vyacuterobu
detektoru s modrou epoxidovou vyacuteplniacute detekčniacuteho prostoru a odstranil by se i probleacutem
vznikajiacuteciacute při osazeniacute těchto detektorů balančniacutemi moduly
Dalšiacute naacutevrh se tyacutekal materiaacutelu použiteacuteho na tuning block Snahou bylo zvyacutešit vliv
tuning bloku natolik aby bylo možneacute vynechat kompenzačniacute očko čiacutemž by došlo k urychleniacute
laděniacute Byly testovaacuteny materiaacutely FeNi47ln5 tloušťky 03 mm a FeNi42 tloušťky 04 mm Byl
zvolen tvar kteryacute umožňoval použitiacute staacutevajiacuteciacutech US modulů obr 310 Vliv tuning blocků
se sice zvyacutešil nicmeacuteně ne natolik aby mohlo byacutet vyvažovaciacute očko zcela vynechaacuteno
Obr 310 Prototypy tuning blocků z novyacutech materiaacutelů
36 Vyacutestupniacute kontrola Před samotnou expediciacute detektoru je nutneacute proveacutest kontrolu detekce Kvalita detekce
je ověřovaacutena třemi typy kontaminantů neželeznyacute - NONFE (mosaz) železnyacute - FE (chromovaacute
ocel) a nerezovyacute - SS (ANSI 304) K tomu jsou určeny přiacutepravky na obr 311 a 312 Jednaacute
se o kuličky definovanyacutech průměrů ktereacute jsou zaliteacute v plastovyacutech tyčinkaacutech opatřenyacutech
rozměrovou specifikaciacute kontaminantu Barva tyček odlišuje použityacute typ kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
26
Obr 311 Testovaciacute vzorky pro dopravniacutekoveacute detektory
Obr 312 Testovaciacute vzorky pro farmaceutickeacute detektory
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
27
4 Optimalizace a stiacuten ěniacute detektoru Jedniacutem z bodů teacuteto praacutece je navrženiacute optimalizaciacute průmysloveacuteho detektoru kovu z
hlediska kvality detekce a vyšetřeniacute elektromagnetickeacuteho pole s ohledem na rušiveacute vlivy Z
počaacutetku byly provaacuteděny pokusy se stiacuteněniacutem ciacutevek s ohledem na rušeniacute vnějšiacutem
elektromagnetickyacutem polem Prvniacute uacutevahy vedly k použitiacute stiacuteniacuteciacuteho materiaacutelu s velkou
permeabilitou kteryacute by do sebe soustředil většiacute množstviacute indukčniacutech čar unikajiacuteciacutech do okoliacute
a tiacutem omezil vnějšiacute rušeniacute Na zaacutekladě teacuteto uacutevahy byly testovaacuteny dva materiaacutely FeNi47ln5
tloušťky 03 mm a FeNi42 tloušťky 04 mm ktereacute mohou dosahovat relativniacute permeability až
micror_12106 [5] Těmito pokusy se sice sniacutežilo množstviacute indukčniacutech čar magnetickeacuteho pole
unikajiacuteciacuteho z detektoru ale vlivem přiacuteliš velkeacute permeability bylo ovlivněno i pole uvnitř
detekčniacuteho prostoru kde došlo ke sniacuteženiacute citlivosti Tento naacutevrh měl dalšiacute negativniacute faktory
jako je vysokaacute cena použityacutech materiaacutelů a omezeneacute vyacuterobniacute možnosti nedostačujiacuteciacute šiacuteřkou
paacutesů což by vedlo ke sklaacutedaacuteniacute plechů vedle sebe a tiacutem ke vzniku nehomogenit
Aby byly optimalizace efektivniacute je třeba znaacutet rozloženiacute elektromagnetickeacuteho pole
uvnitř detektoru a vlivy ktereacute na něj působiacute Proto bylo přistoupeno k využitiacute počiacutetačoveacuteho
softwaru Ansys Jednaacute se o profesionaacutelniacute software založenyacute na metodě konečnyacutech prvků Je
určen předevšiacutem pro simulace mechanickeacuteho namaacutehaacuteniacute ale umožňuje i řešeniacute teplotniacutech
elektromagnetickyacutech a sdruženyacutech poliacute [6] Ansys byl vybraacuten předevšiacutem pro možnost řešeniacute i
3D probleacutemů V teacuteto praacuteci bylo z důvodů vyacutepočetniacute naacuteročnosti a velkeacuteho množstviacute
jednotlivyacutech vyacutepočtů přistoupeno k řešeniacute probleacutemu pouze ve dvourozměrneacutem prostoru V
tomto přiacutepadě je řešeno nestacionaacuterniacute magnetickeacute pole ktereacute popisuje rovnice (41) [7]
( ) extr JArotdt
dABArotrot =timesminus+
minus γυγmicro1
(41)
kde
BArot = (42)
A magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel
micro permeabilita
Br remanentniacute indukce
B magnetickaacute indukce
γ měrnaacute elektrickaacute vodivost
ν rychlost pohybu tělesa v magnetickeacutem poli
Jext vektor vnějšiacute proudoveacute hustoty
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
28
41 Vyšet řovaacuteniacute vlivu pozice Rx vinutiacute Nejprve byly provedeny simulace staacutevajiacuteciacuteho zařiacutezeniacute o rozměrech detekčniacuteho otvoru
150 mm x 350 mm Zaacutekladniacute geometrie probleacutemu je na obraacutezku 41 Pro řešeniacute zaacutekladniacuteho
probleacutemu by bylo možneacute použiacutet symetrii modelu pokud však model doplniacuteme o kontaminant
možnost teacuteto symetrie odpadaacute Byly provedeny tři seacuterie vyacutepočtů ktereacute se lišily materiaacutelem
kontaminantu Každaacute seacuterie se sklaacutedala z 24 samostatnyacutech vyacutepočtů ve kteryacutech se postupně
měnila pozice kontaminantu tak jako je tomu při skutečneacute situaci na dopravniacutem paacutesu
Použityacutem APDL skriptem by bylo možneacute řešit i průchody kontaminantu v různyacutech vyacuteškaacutech
detekčniacuteho otvoru Pro potřeby těchto vyacutepočtů byl průchod zvolen středem jelikož je zde
citlivost detektoru nejnižšiacute Nutno poukaacutezat na skutečnost že kontaminant reprezentovanyacute
kružniciacute v řezu detektoru nelze považovat za kulovyacute nyacutebrž za vodič kruhoveacuteho průřezu
stejneacute deacutelky jako Tx respektive Rx vinutiacute Rozmeziacute pohybu kontaminantu bylo od -230 mm
do 230 mm vůči Tx vinutiacute s krokem 20 mm Obdeacutelniacuteky v okoliacute Tx vinutiacute byly vytvořeny za
uacutečelem možnosti zjemněniacute vyacutepočetniacute siacutetě v prostoru Tx a Rx vinutiacute Na obraacutezku 41 nejsou
namodelovaacuteny Rx ciacutevky neboť hodnota naindukovaneacuteho napětiacute byla ziacuteskaacutevaacutena v pěti
různyacutech vyacuteškovyacutech poziciacutech a bylo hodnoceno indukovaneacute napětiacute Ui
Obr 41 Zaacutekladniacute geometrie
nerezovyacute kryt
vodiče Tx vinutiacute
kontaminant
obdeacutelniacuteky vzduchoveacuteho okoliacute s jemnějšiacute vyacutepočetniacute siacutetiacute střed souřadneacuteho
systeacutemu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
29
411 Preprocessing - p řiacuteprava skriptu Nejprve bylo nutneacute zjistit geometrickeacute rozměry a materiaacuteloveacute konstanty zkoumaneacuteho
detektoru Geometrickeacute rozměry byly ziacuteskaacuteny z databaacuteze Solidworks modelů společnosti
Loma Systems sro V kapitole 71 je uacuteryvek APDL skriptu pro tvorbu geometrie
Materiaacutely použiteacute v modelu jsou vzduch vodiče Tx vinutiacute nerezovyacute obal detektoru a
materiaacutely kontaminantů V raacutemci zjednodušeniacute modelu nebyly uvažovaacuteny PVC izolace Tx
vinutiacute samotneacute Tufneloveacute jaacutedro a materiaacutel s niacutemž je prostor mezi jaacutedrem a nerezovyacutem
krytem vyplněn neboť tyto materiaacutely vykazujiacute z pohledu šiacuteřeniacute elektromagnetickeacuteho pole
stejneacute vlastnosti jako vzduch Konkreacutetniacute hodnoty materiaacutelovyacutech konstant viz tabulka 41
odpor Tx vinutiacute nebyl uvažovaacuten neboť jeho plochy byly zatiacuteženy definovanou proudovou
hustotou tudiacutež neniacute možneacute uvažovat přiacutepadně naindukovaneacute viacuteřiveacute proudy Daacutele bylo nutneacute
zvolit a spraacutevně nastavit použiteacute elementy modelu
Tab 41 Materiaacuteloveacute vlastnosti
měrnaacute
permeabilita [-] měrnyacute elektrickyacute
odpor [Ωm]
vzduch 1 -
Tx vinutiacute 1 -
nerezovaacute ocel (ANSI 304 DIN 14301)
1008 [10] 72010-7
neželeznyacute kontaminant (mosaz)
1 75010-8
železnyacute kontaminant (chromovaacute ocel)
400 12010-7
nerezovyacute kontaminant (ANSI 304 DIN 14301) 1008 72010-7
Jako elementy daneacuteho modelu byly zvoleny elementy PLANE53 určeneacute pro řešeniacute
magnetickeacuteho pole Jednaacute se o osmi uzloveacute elementy ktereacute mohou miacutet až čtyři stupně
volnosti na uzel Stupně volnosti mohou byacutet magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel (AZ) časově
integrovanyacute elektrickyacute skalaacuterniacute potenciaacutel (VOLT) elektrickyacute proud (CURR) a
elektromotorickaacute siacutela (EMF) [6] Geometrie elementu na obr 42
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
30
Obr 42 Geometrie elementu PLANE53 [6]
Uacuteryvek koacutedu v kapitole 72 obsahuje definovaacuteniacute materiaacutelovyacutech vlastnostiacute definovaacuteniacute
elementů a jejich nastaveniacute V dalšiacute časti bylo nutneacute jednotliveacute materiaacutely a elementy přiřadit
danyacutem plochaacutem
Daacutele bylo zapotřebiacute nastavit atributy pro automatickeacute siacuteťovaacuteniacute oblasti Je nutneacute aby v
tenkyacutech a malyacutech plochaacutech byla vyššiacute hustota siacutetě než na velkyacutech plochaacutech kde postačuje siacuteť
řidšiacute Velmi důležitaacute je kompatibilita siacutetě proto byla v okoliacute Tx vodičů vytvořena
obdeacutelniacutekovaacute oblast s hustšiacute siacutetiacute viz uacuteryvek koacutedu v přiacuteloze 73
Obr 43 Detailniacute pohled na siacuteť elementů
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
31
V posledniacute čaacutesti preprocessingu byla definovaacutena Dirichletova okrajovaacute podmiacutenka
udaacutevajiacuteciacute magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel roven nule na vnějšiacute hrany vzduchoveacuteho okoliacute a
průběh budiacuteciacute proudoveacute hustoty v Tx vodičiacutech V horniacutem a dolniacutem vodiči měly toky opačnyacute
smysl proto bylo nutneacute vytvořit dva vektory hodnot J1 (obr 44) a mJ1 V posledniacute řadě bylo
provedeno přiřazeniacute průběhů k plochaacutem viz kapitola 74
Obr 44 Průběh proudoveacute hustoty v ploše Tx vodiče
Ansys byl do Solution modu přepnut přiacutekazem SOL kde se provedlo nastaveniacute
analyacutezy a byl spuštěn vyacutepočet viz kapitola 76
412 Postprocessing - ziacuteskaacutevaacuteniacute vyacutesledk ů Ciacutelem teacuteto čaacutesti bylo zjištěniacute průběhů naindukovanyacutech napětiacute Ui v zaacutevislosti na čase
pro různeacute vyacuteškoveacute pozice přijiacutemaciacutech ciacutevek Rx Pro indukovaneacute napětiacute platiacute vztah
( )Vndt
dU i sdotΦminus= (43)
kde
( )TdxBlx
x
Yint sdotsdot=Φ2
1
(44)
n počet zaacutevitů Rx vinutiacute
l deacutelka Rx vinutiacute ve směru osy Z
x1 a x2 šiacuteřka Rx vinutiacute ve směru osy X
BY složka magnetickeacute indukce v ose Y
Zadaacuteniacutem souřadnic dvou bodů se nadefinovala uacutesečka (cesta) na kterou byly s určityacutem
J (Am-2)
kroky vyacutepočtu (-)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
32
krokem zaznamenaacuteny hodnoty magnetickeacute indukce BY Průběh BY v zaacutevislosti na souřadnici X
je na obr 45
Obr 45 Průběh magnetickeacute indukce BY v zaacutevislosti na souřadnici X
Obr 46 Průběh magnetickeacuteho toku Φ v zaacutevislosti na souřadnici X
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
33
Integrovaacuteniacutem průběhu BY se ziacuteskal průběh magnetickeacuteho indukčniacuteho toku Φ obr 46
Magnetickyacute indukčniacute tok Φ je roven určiteacutemu integraacutelu (rovnice 44) průběhu BY obr 45 Z
toho vyplyacutevaacute že magnetickyacute indukčniacute tok je roven posledniacute hodnotě průběhu na obr 46
Tato hodnota se vynaacutesobila deacutelkou Rx vinutiacute Postup vyacutepočtu se opakoval pro všechny pozice
Rx vinutiacute a to v každeacutem kroku transientniacute analyacutezy Tiacutem se ziacuteskala zaacutevislost magnetickeacuteho
indukčniacuteho toku Φ na čase t V programu MS Excel se vynaacutesobil tok počtem zaacutevitů Rx vinutiacute
a byla provedena derivace podle času (rovnice 43) Takto byly zpracovaacuteny vyacutesledky pro
všechny pozice kontaminantu vůči Tx vinutiacute APDL skript pro ziacuteskaacutevaacuteniacute hodnot viz kapitola
76 a v kapitole 77 je vyacutepis makra ktereacute uklaacutedaacute hodnoty do souboru
413 Hodnoceniacute vyacutesledk ů Vypočteneacute hodnoty Ui ve všech pěti vyacuteškovyacutech poziciacutech hrx byly vyneseny do grafů v
zaacutevislosti na čase Pokud se vynesou do jednoho grafu průběhy indukovanyacutech napětiacute pro
každou pozici kontaminantu v daneacute vyacutešce lze sledovat odezvu indukovaneacuteho napětiacute na
polohu kontaminantu Jelikož byly provedeny tři seacuterie vyacutepočtů s různyacutemi kontaminanty lze
porovnat i tvary přijiacutemanyacutech signaacutelu pro jednotliveacute materiaacutely Ciacutelem teacuteto čaacutesti je porovnat
signaacutely ziacuteskaacutevaneacute v různyacutech vyacuteškovyacutech polohaacutech Rx vinutiacute a vybrat nejvhodnějšiacute signaacutel pro
detekci
Na naacutesledujiacuteciacutech grafech jsou znaacutezorněny napěťoveacute průběhy během jedneacute periody v
zaacutevislosti na poloze kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
34
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 47 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 48 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
35
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 49 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 410 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
36
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 411 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 5)
Na obraacutezciacutech 47 až 411 jsou zobrazeny průběhy odpoviacutedajiacuteciacute průchodu železneacuteho
kontaminantu s relativniacute permeablitou 400 a měrnyacutem elektrickyacutem odporem 10210-7 Ωm Na
průběziacutech 47 48 a 411 lze pozorovat sice nižšiacute hodnotu signaacutelu ale celkovaacute deformace
během průchodu kontaminantu je většiacute
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 412 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
37
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 413 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 414 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
38
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 415 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 416 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce5)
Na obraacutezciacutech 412 až 416 jsou zobrazeneacute průběhy odpoviacutedajiacuteciacute průchodu kontaminantu z
nerezu ANSI 304 s relativniacute permeablitou 1008 a měrnyacutem elektrickyacutem odporem 7210-7
Ωm Při porovnaacuteniacute s předchoziacutem kontaminantem je změna signaacutelu nižšiacute což odpoviacutedaacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
39
předpokladům o obtiacutežnějšiacute detekci nerezovyacutech kontaminantů
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 417 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 418 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
40
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 419 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 420 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
41
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 421 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 5)
Na obraacutezciacutech 417 až 421 jsou zobrazeny průběhy odpoviacutedajiacuteciacute neželezneacutemu
kontaminantu (mědi) s parametry relativniacute permeablita 1 a měrnyacute elektrickyacute odpor 7510-8
Ωm Průběh signaacutelu je velmi podobnyacute signaacutelům nerezoveacuteho kontaminantu
Porovnaacuteniacutem všech grafů (obr 47 - obr 422) je obecně vidět že u průběhů ve vyacutešce
3 a 4 je zisk signaacutelu pro všechny modelovaneacute kontaminanty největšiacute Dochaacuteziacute zde ale ke
změně amplitudy pouze v jednom smyslu což z hlediska vyhodnocovaciacutech algoritmů zlepšeniacute
detekce vylučuje Naproti tomu je u signaacutelu ve vyacutešce 5 znatelně vyššiacute amplituda než v
použiacutevaneacute vyacutešce 2 Na zaacutekladě tohoto zjištěniacute bude zhotoven prototyp detektoru za uacutečelem
ověřeniacute teoretickyacutech vyacutesledků
Na obraacutezku 422 je ukaacutezka grafickeacuteho vyacutestupu zobrazujiacuteciacuteho vektory proudoveacute
hustoty naindukovaneacute v nerezoveacutem krytu a v kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
42
Obr 422 Vektory proudovyacutech hustot naindukovanyacutech do kontaminantu a nerezoveacuteho krytu
Obraacutezek 423 zobrazuje kontury magnetickeacuteho pole ve stejneacutem časoveacutem kroku jako obr
422 Pole ktereacute je konturami zobrazeno je tvořeno praacutevě proudovou hustotou obr 422 Je
zde možneacute pozorovat jak se pole deformuje přiacutetomnyacutem kontaminantem
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
43
Obr 423 Kontury magnetickeacuteho vektoroveacuteho potenciaacutelu s viditelnou deformaciacute pole způsobenou
feromagnetickyacutem kontaminantem
42 Vyšet řovaacuteniacute množstviacute vyza řovaneacute energie V teacuteto čaacutesti se vychaacutezelo z předpokladu že intenzita elektromagnetickeacuteho pole uvnitř
detektoru je mnohem většiacute než elektromagnetickyacute šum kteryacute do detektoru vnikaacute z okoliacute
Proto lze předpoklaacutedat že rušeniacute bude způsobeno předevšiacutem deformaciacute vlastniacuteho
vyzařovaneacuteho pole v bliacutezkeacutem okoliacute detektoru To vede ke snaze snižovat množstviacute vlastniacuteho
vyzaacuteřeneacuteho pole ven z detektoru aby nemohlo byacutet deformovaacuteno okolniacutemi předměty
421 Řešeniacute probleacutemu Bylo porovnaacuteno pět variant detektorů bez průchodu kontaminantu Každaacute varianta se
řešila jedniacutem vyacutepočtem z čehož plyne malaacute časovaacute naacuteročnost a proto byly probleacutemy řešeny
bez využitiacute symetrie Prvniacute byl staacutevajiacuteciacute detektor o tloušťce kryciacuteho nerezoveacuteho plechu 3 mm
druhyacute byl stejneacute geometrie ale za použitiacute silnějšiacuteho 5 mm tlusteacuteho nerezu Třetiacute typ měl
tloušťku 3 mm ale na horniacute a dolniacute stěně bylo přidaacuteno dalšiacute stiacuteněniacute z nerezu ve tvaru T (obr
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
44
426) Posledniacute dva naacutevrhy měly pravouacutehlyacute tvar krytu celkově menšiacutech rozměrů z nichž jeden
byl jednoduchyacute o tloušťce 3 mm (obr 427) a druhyacute měl shora a zdola dvojiteacute dno z nerezu
tloušťky 3 mm (obr_428) Touto metodou by se dalo porovnaacutevat mnohem většiacute množstviacute
provedeniacute ktereacute by se mohly lišit i použityacutem materiaacutelem Vzduchoveacute okoliacute detektoru bylo
rozděleno na čtyři sektory v nichž se sečetly hodnoty magnetickeacute energie jednotlivyacutech
elementů v každeacutem kroku analyacutezy a tiacutem se ziacuteskal průběh množstviacute energie v daneacutem prostoru
na čase Objemovaacute hustota magnetickeacute energie byla zjišťovaacutena ve všech plochaacutech daneacute
geometrie a bylo možno sledovat jak se energie v čase přemisťuje
Obr 424 Geometrie varianty 3 mm
Obr 425 Geometrie varianty 5 mm
Obr 426 Geometrie varianty 3 mm-stineni
Obr 427 Geometrie varianty novy 1
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
45
Obr 428 Geometrie varianty novy 2
Přiacuteprava skriptů se od předchoziacutech vyacutepočtů lišila pouze v geometrii jinak byla
principiaacutelně stejnaacute Rozdiacutel byl však v čaacutesti post-processingu (ziacuteskaacutevaacuteniacute vyacutesledků) Aby bylo
možno přistupovat k jednotlivyacutem sektorům musel byacutet každyacute sektor definovaacuten vlastniacutem typem
elementů (elementy byly použity stejneacute jednaacute se pouze o čiacuteslovaacuteniacute) Byly použity osmkraacutet
elementy PLANE53
ET153 Tx vinuti ET253 prostor uvnitr detektoru ET353 nerezovy obal ET453 detekcni prostor ET553 vzduchove okoli - horni ET653 vzduchove okoli - pravy ET753 vzduchove okoli - dolni ET853 vzduchove okoli - levy
Přiacuteklad načiacutetaacuteniacute vyacutesledků pro jeden typ elementů
POST1 prepnutiacute do postprocesoru allsel oznaceni vsech elementu vytvoreni pole pro ukadani hodnot DIMenergie1TABLEkroku11timeE zapsani nulovych hodnot na zacatek vektoru vysledku energie1(00)=0 energie1(01)=0 cyklus ve kterem se nacitaji vysledky jednotlivych kroku simulace doi1kroku1 APPEND 1 i nacteni daneho kroku eseltype1 vybrani elementu typu 1 GET e_count1 ELEM count vraci mnozstvi elementu daneho typu GET e_next ELEM 0 NXTH vraci nejnizsi adresu elementu daneho typu v promenne e_next energ1=0 vynulovani promenne cyklus ktery postupne prochazi vsechy elementy daneho typu doj1e_count11 GET e_energ1 ELEM e_next SENE ulozi do promene e_energ1 mnozstvi energie v elementu s adresou e_next
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
46
GET e_next ELEM e_next NXTH posune adresu elementu o jedna energ1=energ1+e_energ1 pricte mnozstvi energie e_energ1 do kumulativni promnenne energ1 enddo konec vnitrniho cyklu energie1(i0)=i zapise do pole vysledku cislu jirju simulace energie1(i1)=energ1 zapise do pole vysledku mnozstvi energie v cele plose s elementy daneho typu enddo konec vnejsiho cyklu zapis_energ zavolani makra pro zapis vysledku do souboru
422 Hodnoceniacute vyacutesledk ů V jednotlivyacutech sektorech se provedla suma magnetickeacute energie pro každyacute krok
simulace Vyacutesledkem jsou průběhy množstviacute energie v daneacute ploše v zaacutevislosti na krociacutech
simulace (čase) Jednotliveacute varianty byly hodnoceny na zaacutekladě porovnaacuteniacute průběhů se
staacutevajiacuteciacutem detektorem
Energie v Tx vinutiacute
000E+00
100E-03
200E-03
300E-03
400E-03
500E-03
600E-03
700E-03
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 429 Energie v Tx vinutiacute
Na grafu (obr 429) je vidět že množstviacute energie v Tx vinutiacute neniacute zaacutevisleacute na geometrii a je
daacuteno budiacuteciacutem signaacutelem v Tx vinutiacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
47
Energie unit ř detektoru
000E+00
200E-02
400E-02
600E-02
800E-02
100E-01
120E-01
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 430 Energie uvnitř detektoru
Na obr 430 je znaacutezorněno množstviacute energie v prostoru detektoru do ktereacuteho neniacute
započiacutetaacutena detekčniacute oblast ta je zobrazena na obr 432 V teacuteto čaacutesti neniacute pozorovaacutena žaacutednaacute
vyacuteraznaacute změna
Energie v nerezoveacutem obalu
000E+00
500E-05
100E-04
150E-04
200E-04
250E-04
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 431 Energie v nerezoveacutem obalu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
48
Vyacuteraznějšiacute změny se odehraacutevajiacute v nerezoveacutem obalu Nejmenšiacute množstviacute energie je v klasickeacute
3 mm tlusteacute a v 5 mm tlusteacute variantě U klasickeacute varianty se stiacuteněniacutem a u novyacutech naacutevrhů je
naacuterůst způsoben přibliacuteženiacutem nerezu k Tx vinutiacute
Energie v prostoru detek čniacuteho otvoru
000E+00
500E-03
100E-02
150E-02
200E-02
250E-02
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 432 Energie v prostoru detekčniacuteho otvoru
V oblasti detekčniacuteho otvoru je snaha o uchovaacuteniacute co největšiacuteho množstviacute energie neboť
zmenšeniacute energie vede ke sniacuteženiacute odezvy na kontaminant tedy ke sniacuteženiacute citlivosti detektoru
Z obr 432 je patrneacute že geometrickeacute uacutepravy detektoru (3 mm se stiacuteněniacutem novy 1 a novy 2)
vedou ke sniacuteženiacute množstviacute energie v tomto prostoru
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
49
Energie v horniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
100E-07
200E-07
300E-07
400E-07
500E-07
600E-07
700E-07
800E-07
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 433 Energie v horniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Energie v dolniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
100E-07
200E-07
300E-07
400E-07
500E-07
600E-07
700E-07
800E-07
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 434 Energie v dolniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Porovnajiacute-li se obr 433 a 434 je u variant 1 - 3 možneacute pozorovat rozdiacutely mezi horniacute a dolniacute
plochou Je zde na prvniacute pohled vidět jak horniacute oblouk snižuje množstviacute energie unikajiacuteciacute do
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
50
okoliacute Jako uacutečinneacute se z pohledu těchto sektorů jeviacute varianta klasickeacuteho detektoru se stiacuteněniacutem a
novyacute naacutevrh s dvojityacutemi stěnami
Energie v praveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
500E-06
100E-05
150E-05
200E-05
250E-05
300E-05
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 435 Energie v praveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Energie v leveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
500E-06
100E-05
150E-05
200E-05
250E-05
300E-05
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 436 Energie v leveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
51
Pravyacute a levyacute sektor je z důvodů symetrie stejnyacute na obrazciacutech 435 a 436 lze pozorovat tzv
metal free zoacutenu kteraacute se u detektorů udaacutevaacute Jednaacute se o prostor před a za detekčniacutem otvorem
ve ktereacutem se nesmiacute nachaacutezet žaacutednyacute kovovyacute materiaacutel (z důvodu ovlivňovaacuteniacute pole) snahou je
tuto zoacutenu co nejviacutece zmenšit Z grafů je patrneacute že novyacute naacutevrh s dvojityacutemi stěnami vykazuje
nejmenšiacute množstviacute energie v teacuteto oblasti Naopak u klasickeacute varianty se stiacuteněniacutem došlo k
vytlačeniacute pole z vnitřku detektoru praacutevě do těchto okolniacutech zoacuten
Na zaacutekladě těchto poznatků bude provedeno ověřeniacute na skutečnyacutech zařiacutezeniacutech Mezi
použitelneacute varianty připadaacute klasickaacute konstrukce doplněnaacute o stiacuteněniacute a novyacute naacutevrh s dvojityacutemi
stěnami U toho je však velkaacute hrozba sniacuteženiacute citlivosti způsobeneacute menšiacutem množstviacutem energie
v detekčniacutem prostoru
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
52
5 Zaacutevěr Ciacutelem předklaacutedaneacute praacutece je zlepšeniacute činnosti detektorů kovů přiacutepadně uacuteprava
technologie vyacuteroby při současneacutem sniacuteženiacute vyacuterobniacutech naacutekladů Předpokladem uacutespěšnyacutech
naacutevrhů byla podrobnaacute studie činnosti a principu těchto zařiacutezeniacute kteraacute jsou vyacuterobcem po
několik let uacutespěšně prodaacutevaacutena na světovyacutech trziacutech
Na zaacutekladě těchto požadavků byly provedeny některeacute testy ktereacute měly ověřit
předpoklaacutedanaacute zlepšeniacute Nejširšiacute možnosti přinaacutešiacute modelovaacuteniacute magnetickeacuteho pole
průmyslovyacutech detektorů počiacutetačovou simulaciacute kteraacute je zatiacutem schopna řešit zadaneacute probleacutemy
v dvourozměrneacutem prostoru Nejčastěji řešeneacute probleacutemy jsou staacutele spojeny se zaacutekladniacutem
principem činnosti těchto zařiacutezeniacute tj vlivem a působeniacutem kontaminantu na
elektromagnetickeacute pole buzeneacute ciacutevkami uvnitř detektoru a nepřiacuteznivyacute vliv vnějšiacutech rušivyacutech
poliacute např při současneacute činnosti sousedniacutech detektorů Dalšiacutem zdrojem rušivyacutech magnetickyacutech
poliacute může byacutet i činnost a přiacutetomnost různyacutech elektrickyacutech zařiacutezeniacute probleacutem spojenyacute s
vhodnyacutem materiaacutelem a tvarem stiacuteněniacute těchto zařiacutezeniacute
Vzhledem k maximaacutelniacute citlivosti elektronickyacutech obvodů a požadovaneacute pečlivosti při
balancovaacuteniacute (vyvažovaacuteniacute) se vyskytuje probleacutem kteryacute souvisiacute se staacutelostiacute nastaveniacute detektoru
při mechanickeacutem otřesu přiacutepadně odstraněniacute změn ke kteryacutem dochaacuteziacute vlivem dopravy
Dalšiacutem plaacutenovanyacutem krokem je namodelovaacuteniacute probleacutemu v trojrozměrneacutem prostoru od
ktereacuteho je očekaacutevaacuteno zohledněniacute dalšiacutech vlivů a tiacutem zpřesněniacute samotneacuteho vyacutesledku
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
53
6 Použitaacute literatura [1] Internetoveacute straacutenky společnosti Loma Systems sro
httpwwwlomacom_czindexshtml
[2] Haacutejek J Jarchovskyacute Z Detektory kovů - naacutevod na stavbu nakladatelstviacute BEN Praha
2010
[3] Beneda L Detektory kovů bakalaacuteřskaacute praacutece ZČU Plzeň 2010
[4] Internetoveacute straacutenky společnosti Ad controls sro
httpwwwadcontrolsczdetektory_kovu_zakladni_pojmy
[5] KOVOHUTĚ ROKYCANY as COMTES FHT as MATEX sro Průběžnaacute
zpraacuteva k projektu FeNi - čj 1021207 - 32 za rok (2007 - 2009)
[6] Ansys Inc ANSYS HELP Release 130 Dokumentace k programu
[7] Karban P a kolektiv autorů Aplikace teoretickeacute elektrotechniky Skripta ZČU Plzeň
2011
[8] Benešovaacute Z Ulrych B Přiacuteručka pro použitiacute programů ve vyacuteuce teorie
elektromagnetickeacuteho pole Skripta ZČU Plzeň 1997
[9] Loma Systems sro Knowledge Base - Interniacute dokumentace společnosti
[10] Internetoveacute straacutenky společnosti Aerospace specification metals Inc
httpasmmatwebcomsearchSpecificMaterialaspbassnum=MQ304A
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
1
7 Přiacutelohy
71 Tvorba geometrie PREP7 prepnuti do rezimu preprocesingu jj=8 index polohy kontaminantu r1=05e-3 polomer Tx vodice 05 mm r2=15e-3 polomer kontaminantu 15 mm c=90e-3 sirka Rx civek h=1767e-3 vzdalenost mezi Tx vinutim hrx=(h2)+526e-3 zakladni vyskova poloha mezi Rx civkami hss=175e-3 vyska nerezoveho krytu wss=150e-3 sirka nerezoveho krytu tss=3e-3 tloustka nerezove steny hd=h-227e-3 vyska detekcniho otvoru wok=1000e-3 sirka vzduchoveho okoli hok=1000e-3 vyska vzduchoveho okoli wkon=(-250e-3)+(jj20e-3) poloha kontaminantu na ose X tvorba geometrickych bodu nerezoveho krytu K1022589e-30 K2022185e-30 K3-7907e-321208e-30 K4-78e-32085e-30 K57907e-321208e-30 K678e-32085e-30 K7-wsshss0 K8-wss+tsshss-tss0 K9wsshss0 K10wss-tsshss-tss0 K11-wss-hss0 K12-wss+tss-hss+tss0 K13wss-hss0 K14wss-tss-hss+tss0 vytvoreni ploch definovanymi body FLST273 FITEM27 FITEM23 FITEM21 FITEM25 FITEM29 FITEM213 FITEM211 AP51X FLST273 FITEM28 FITEM24 FITEM22 FITEM26 FITEM210 FITEM214 FITEM212 AP51X CYL40h2r1 plocha horniho Tx vodice CYL40-h2r1 ploch dolniho Tx vodice BLC50((h2)+hrx)2100e-310e-3 plocha horniho vzduchoveho okoli Tx vodice BLC50-((h2)+hrx)2100e-310e-3 plocha dolniho vzduchoveho okoli Tx vodice BLC5002wsshd plocha detekcniho ootvoru APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch odstraneni ploch ktere budou sjednoceny se vzduchovym okolim
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
2
FLST255ORDE4 FITEM210 FITEM2-12 FITEM215 FITEM218 ADELEP51X BLC500wokhok vytvoreni plochy vzduchoveho okoli APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch CYL4wkon0r2 vytvoreni plochy kontaminantu APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch konec tvorby geometrickeho modelu
72 Definice element ů materiaacutel ů a jejich p řiřazeniacute k plochaacutem definovani materialu MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX11 material 1 Tx permeabilita 1 MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX21 material 2 Air permeabilita 1 MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX31008 material 3 nerezovy kryt SS ANSI 304 permeabilita MPTEMP MPTEMP10 MPDATARSVX372e-7 material 3 nerezoovy kryt SS Ansi 304 rezistivita MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX4400 material 4 Kontaminant permeabilita MPTEMP MPTEMP10 MPDATARSVX4102e-7 material 4 Kontaminant rezistivita definovani elementu ET153 Tx civky ET253 Vzduch ET353 nerezovy kryt ET453 kontaminant nastaveni elementu KEYOPT110 Tx civky KEYOPT120 KEYOPT130 KEYOPT140 KEYOPT150 KEYOPT170 KEYOPT210 Air KEYOPT220 KEYOPT230 KEYOPT240 KEYOPT250 KEYOPT270 KEYOPT310 SS KEYOPT320 KEYOPT330 KEYOPT340 KEYOPT350
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
3
KEYOPT370 KEYOPT410 kontaminant KEYOPT420 KEYOPT430 KEYOPT440 KEYOPT450 KEYOPT470 prirazeni elementu a materialum k plocham FLST525ORDE2 Tx FITEM58 FITEM5-9 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 1 1 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 FLST535ORDE3 Air FITEM53 FITEM516 FITEM5-17 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 2 2 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 FLST525ORDE2 SS FITEM513 FITEM5-14 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 3 3 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 CM_YAREA kontaminant ASEL 1 CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 4 4 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
4
73 Siacuteťovaacuteniacute oblastiacute FLST275ORDE7 FITEM21 FITEM28 FITEM2-9 FITEM213 FITEM2-14 FITEM216 FITEM2-17 AESIZEP51X00005 nastaveni delky steny elementu 00005 m FLST215ORDE1 FITEM23 AESIZEP51X001 nastaveni delky steny elementu 001 m MSHAPE12D nastaveni 2D trojuhelnikove site MSHKEY0 FLST585ORDE8 FITEM51 FITEM53 FITEM58 FITEM5-9 FITEM513 FITEM5-14 FITEM516 FITEM5-17 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CHKMSHAREA CMSELS_Y AMESH_Y1 spusteni automatickeho sitovani CMDELE_Y CMDELE_Y1 CMDELE_Y2
74 Okrajovaacute podmiacutenka a nastaveniacute budiciacuteho pr ůběhu okrajova podminka FLST244ORDE4 FITEM214 FITEM212 FITEM27 FITEM25 DLP51X AZ0 nastaveni zatizeni parametry budici proudove hustoty f=35e3 frekvence signalu [Hz] part=600 pocet kroku signalu T_min=0 pocatek casove osy T_max=1f konec casove osy dt=T_maxpart casovy krok parametry prudove hustoty pi=4atan(1) s=pir12 I=600sqrt(2) N1=1 J1_a=IN1s definovani vzestupne casti pulsu tau=3 DIMJexTABLE5011timeJ Jex(11)=0
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
5
Jex(10)=0 doi2501 Jex(i1)=(J1_a)(1-exp(-itau)) Jex(i0)=(i) enddo definovani sestupne casti pulsu tau=3 DIMJex1TABLE5011timeJ Jex1(11)=J1_a Jex1(10)=0 doi2501 Jex1(i1)=(J1_a)(exp(-itau)) Jex1(i0)=(i) enddo sestaveni celeho pulsu DIMJex2TABLE10011timeJ Jex2(11)=0 Jex2(10)=0 doi2501 Jex2(i1)=Jex(i1) Jex2(i0)=(i) enddo doi511001 Jex2(i1)=Jex1(i-501) Jex2(i0)=(i) enddo priprava nulovych vektoru kladneho a zaporneho prubehu J DIMJ1TABLE60011timeJ DIMmJ1TABLE60011timeJ doi16001 J1(i0)=(i-1)dt time J1(i1)=0 J mJ1(i0)=(i-1)dt time mJ1(i1)=0 -J enddo vlozeni prvniho pulsu doi11001 J1(i1)=Jex2(i1) mJ1(i1)=-Jex2(i1) enddo vlozeni druheho pulsu doi3004001 J1(i1)=-Jex2(i-3001) mJ1(i1)=Jex2(i-3001) enddo prirazeni prubehu k plocham PREP7 FLST215ORDE1 FITEM28 BFAP51XJSJ1 FLST215ORDE1 FITEM29 BFAP51XJSmJ1
75 Nastaveniacute analyacutezy SOL prepnuti do Solution modu - nastaveni analyzy kroku=300 pocet kroku simulace ANTYPE4 TRNOPTFULL
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
6
NSUBSTkroku00 OUTRESERASE OUTRESALL1 TIMET_max solve spusti vypocet ulohy
76 Postprocessing POST1 prepne do Preprocesing modu krokyb=200 pocet kroku na delku coilgapu L=03 delka Rx snimace hrx1=(h2)+10e-3 jednotlive vyskove pozice Rx vinuti hrx2=(h2)+526e-3 hrx3=(h2) hrx4=((h2)-526e-3) hrx5=((h2)-10e-3) vytvoreni pole hodnot - 10 sloupcu x 300 radku sloupce odpovidaji poctu jednotlivych civek 2x5 (5 poloh horni a dolni civka) DIMTOKTABLEkroku101SUBSTEP TOK(00)=0 TOK(01)=0 TOK(02)=0 TOK(03)=0 TOK(04)=0 TOK(05)=0 TOK(06)=0 TOK(07)=0 TOK(08)=0 TOK(09)=0 TOK(010)=0 dok1kroku1 hlavni cyklus pocet cyklu odpovida poctu kroku analyzy APPEND 1 k nacteni k-teho kroku analyzy tato cast kodu je nutna pro kazdou civku zvlast (10x se opakuje) PATHHORNI26krokyb-1 definovani cesty horni civky PPATH10-c2hrx10 levy koncovy bod PPATH20c2hrx10 pravy koncovy bod PDEF BYAVG namapovani Y-slozky magneticke indukce B PCALCINTGINT_HORBYXGL vypocet integralu z By podle dX PBCPATH 0 PAGETHORNI1_TABL ulozeni hodnot ziskanych na definovane ceste do pole HORNI1_ PADELALL smazani cesty i s hodnotamy (pole HORNI1_ zustava) konec opakujici se casti prirazovani posledni hodnoty integralu do prislusneho pole vysledku TOK(k0)=k casova osa TOK(k1)=HORNI1_(krokyb6) TOK(k2)=DOLNI1_(krokyb6) TOK(k3)=HORNI2_(krokyb6) TOK(k4)=DOLNI2_(krokyb6) TOK(k5)=HORNI3_(krokyb6) TOK(k6)=DOLNI3_(krokyb6) TOK(k7)=HORNI4_(krokyb6) TOK(k8)=DOLNI4_(krokyb6) TOK(k9)=HORNI5_(krokyb6) TOK(k10)=DOLNI5_(krokyb6) DELPRM_ smaze vsechny pole vysledku koncici znakem _ enddo konec cyklu zapis_tok odkaz na skript pro zapsani pole vysledku do souboru txt
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
7
77 Makro Vyacutepis makra ktereacute uklaacutedaacute hodnoty do souboru tok_fitxt
MWRITETOK(111)tok_fitxt vytvori soubor tok_fitxt a ulozi do
nej matici vysletku TOK
(10E135) urcuje format zapisu hodnot - 10
sloupcu cisel o celkove delce 13ti
znaku z toho 5 za desetinou teckou
CFCLOS uzavre soubor
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
8
Eviden čniacute list
Souhlasiacutem s tiacutem aby moje bakalaacuteřskaacute praacutece byla půjčovaacutena k prezenčniacutemu studiu v
Univerzitniacute knihově ZČU v Plzni
Datum Podpis
Uživatel stvrzuje svyacutem čitelnyacutem podpisem že tuto bakalaacuteřskou praacuteci použil ke studijniacutem
uacutečelům a prohlašuje že ji uvede mezi použityacutemi prameny
Jmeacuteno Fakultakatedra Datum Podpis
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
17
31 Obecneacute informace Jsou vyraacuteběny dva typy detektorů ktereacute pracujiacute na stejneacutem principu ale lišiacute se
vysiacutelaciacutemi průběhy budiacuteciacuteho napětiacute a možnostiacute pracovat na různyacutech kmitočtech
Staršiacute model označenyacute jako IQ2 je vyraacuteběnyacute ve třech variantaacutech jako farmaceutickyacute
detektor detektor s volnyacutem propadem produktu nebo detektor s produktem dopravovanyacutem
potrubiacutem Posledniacute dva jmenovaneacute jsou takeacute vyraacuteběny na zaacutekladě technologie IQ3 Tento
systeacutem umožňuje činnost detektoru na různyacutech budiacuteciacutech kmitočtech a je použit hlavně u
dopravniacutekovyacutech detektorů Detektor IQ2 pracuje na neměnneacute frekvenci 1 MHz
Dopravniacutekoveacute detektory jsou vyraacuteběny ve dvou variantaacutech normaacutelniacute (detekčniacute otvor
maacute stěny opatřeneacute vrstvou modreacuteho epoxidu) a detektory pro extreacutemně nepřiacutezniveacute podmiacutenky
(stěny detekčniacuteho otvoru jsou pokryty odolnyacutem plastem) ktereacute odolaacutevajiacute i vysokotlakeacutemu
vodniacutemu čištěniacute Obě varianty jsou vhodneacute i pro použitiacute v potravinaacuteřskeacutem průmyslu
Všechny detektory jsou schopny pracovat při siacuteťoveacutem napětiacute 110115200220230 V
50 nebo 60 Hz 1f 380400 V 5060 Hz 3f a majiacute stupeň krytiacute IP 69K což umožňuje uacutedržbu
vysokotlakyacutemi vodniacutemi čističi Ovlaacutedaacuteniacute a komunikace s detektorem je zajištěna LCD
displejem s tlačiacutetky nebo displejem dotykovyacutem Každyacute detektor je vybaven releacuteovyacutemi
vyacutestupy jimiž je možno ovlaacutedat chod dopravniacuteku vyřazovaciacute systeacutem signalizačniacute lampy či
klakson
Detektor jako takovyacute se sklaacutedaacute z jedneacute čaacutesti kde je jak samotnyacute detekčniacute otvor tak i
veškeraacute elektronika Detekčniacute otvor tvořiacute jaacutedro z tvrzeneacuteho papiacuteru (Tufnol) do ktereacuteho jsou
vlepeny vodiče ciacutevek Stěny detekčniacuteho otvoru jsou opatřeny modryacutem epoxidem nebo biacutelyacutem
polyethylenem (Acetal) kteryacute maacute většiacute mechanickou odolnost Celeacute zařiacutezeniacute je uzavřeno v
obalu z nerezoveacute oceli ANSI 304 (DIN 14301) tloušťky 3 mm Prostor mezi jaacutedrem a
nerezovyacutem obalem je vyplňovaacuten pěnivyacutem epoxidem
Elektronika detektoru obsahuje tři desky plošnyacutech spojů a ovlaacutedaciacute displej Hlavniacute
čaacutestiacute je řiacutediacuteciacute deska (Control board) na ktereacute se nachaacuteziacute blok napaacutejeciacuteho zdroje
vyhodnocovaciacute obvody paměti AD převodniacuteky signaacutelu a vstupniacutevyacutestupniacute obvody Dalšiacutemi
čaacutestmi jsou vysiacutelaciacute deska (Transmitter board) a deska přijiacutemače (Receiver board)
32 Vysiacutelaciacute čaacutest - Tx Postupneacute upouštěniacute od vyacuteroby zastaraleacute verze detektorů IQ2 je důvodem pro zaměřeniacute
teacuteto praacutece na detektory IQ3 Systeacutem IQ3 je multifrekvenčniacute založenyacute na balančniacutem principu
Oproti standardniacutem balančniacutem detektorům je zde vysiacutelaciacute ciacutevka buzena nespojityacutem signaacutelem
Vyacutehodou použitiacute tohoto signaacutelu je snadnaacute změna frekvence možnost řiacutezeniacute vysiacutelaciacuteho vyacutekonu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
18
a celkoveacute zvyacutešeniacute kvality detekce neboť rychlyacutem změnaacutem budiacuteciacuteho proudu odpoviacutedaacute velkaacute
změna magnetickeacuteho indukčniacuteho toku Dle Faradayova indukčniacuteho zaacutekona je velikost
indukovaneacuteho napětiacute daacutena rychlostiacute změny magnetickeacuteho indukčniacuteho toku (31)
tU i ∆
∆Φminus= (31)
Činnost Tx boardu (vysiacutelaciacute desky) je řiacutezena mikrokontrolerem kteryacute komunikuje s
Control boardem seacuteriovyacutem rozhraniacutem Deska umožňuje kontrolu napaacutejeniacute vysiacutelaciacuteho proudu
teploty a přiacutepadneacute přerušeniacute Tx vinutiacute (vysiacutelaciacute ciacutevky) Mikrokontroler řiacutediacute jak vysiacutelaciacute
průběh tak vyhodnocovaciacute obvody ktereacute jsou na Rx boardu (přijiacutemaciacute deska)
Na Tx board jsou přivaacuteděna napětiacute 12 V -12 V proti zemi použiacutevanaacute k buzeniacute Tx
vinutiacute Z kladneacuteho napětiacute se daacutele ziacuteskaacutevaacute napětiacute 33 V a 18 V pro napaacutejeniacute ostatniacutech obvodů
Budiacuteciacute signaacutel je kvůli požadovaneacutemu vysokeacutemu pulsniacutemu vyacutekonu odebiacuteraacuten z kondenzaacutetoroveacute
baterie Velikost odebiacuteraneacuteho proudu je měřena operačniacutem zesilovačem zapojenyacutem jako
převodniacutek IU
Vyacutekonovaacute čaacutest Tx boardu je tvořena čtyřmi MOSFET tranzistory řiacutezenyacutemi
mikrokontrolerem Vyacutekonoveacute tranzistory T1 až T4 jsou zapojeny dle obr 32
Obr 32 Zapojeniacute koncoveacute čaacutesti vysiacutelače
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
19
Vysiacutelaciacute ciacutevka je tvořena pouze jedniacutem zaacutevitem Cu draacutetu ϕ 1 mm jeho indukčnost a kapacita
je vzhledem k jeho vodivosti zanedbatelnaacute a při nižšiacutech frekvenciacutech se tedy chovaacute jako zkrat
Pokud je časovyacute posuv mezi U1 a U2 roven nule pak napětiacute UTX je takeacute rovno nule a Tx
ciacutevkou neteče žaacutednyacute proud obr 33
-12
-8
-4
0
4
8
12
16U1 (V)
-16
-12
-8
-4
0
4
8
12
16
000E+00 100E-05 200E-05 300E-05 400E-05 500E-05 600E-05
čas (s)
U2 (V)
Obr 331 Průběhy signaacutelů U1 a U2 přivaacuteděnyacutech na vyacutevody Tx vinutiacute V detektoru by se dala naměřit pouze elektrickaacute složka pole odpoviacutedajiacuteciacute původniacutemu signaacutelu
Pro detekci kovu je však důležiteacute elektromagnetickeacute pole kteraacute vznikaacute průchodem proudu
vinutiacutem Proudoveacuteho impulsu je dosaženo časovyacutem posunem mezi napětiacutemi U1 a U2
přivaacuteděnyacutemi na svorky Tx vinutiacute V tomto přiacutepadě potečou zkratoveacute proudoveacute pulsy
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
20
odpoviacutedajiacuteciacute připojeneacutemu napětiacute UTX viz obr 34 Vyacutekon detektoru je tedy řiacutezen časovyacutem
posunem mezi průběhy napětiacute U1 a U2 Tomuto časoveacutemu posuvu pak odpoviacutedaacute i velikost
odebiacuteraneacuteho proudu do Tx vinutiacute
-12
-8
-4
0
4
8
12
16U1 (V)
-12
-8
-4
0
4
8
12
16U2 (V)
000E+00 100E-05 200E-05 300E-05 400E-05 500E-05 600E-05
Čas (s)
I (A)
Obr 34 Časově posunutaacute napětiacute U1 U2 přivaacuteděnaacute na vyacutevody Tx vinutiacute a průběh proudu I v Tx vinutiacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
21
33 Přijiacutemaciacute čaacutest - Rx Zaacutekladem přijiacutemaciacute čaacutesti je soustava složenaacute ze dvou paralelně spojenyacutech Rx ciacutevek
podle obr 35 každaacute se dvěma zaacutevity U tohoto uspořaacutedaacuteniacute hraje důležitou roli smysl vinutiacute
Rx ciacutevek (označeniacute počaacutetku a konce vinutiacute) a jejich přesnaacute poloha Tx musiacute prochaacutezet přesně
v jedneacute polovině vzdaacutelenosti l
Obr 35 Geometrickeacute uspořaacutedaacuteniacute je voleno tak že pokud neprochaacuteziacute detektorem kontaminant napětiacute
indukovaneacute napaacutejenou ciacutevkou Tx do Rx ciacutevek je minimaacutelniacute
Jak bylo řečeno v kapitole 32 pro detekci kovu je podstatneacute elektromagnetickeacute pole
Elektrickeacute pole je odstraněno na primaacuterniacutem vinutiacute vstupniacuteho transformaacutetoru TR s dvojityacutem
primaacuterniacutem vinutiacutem zapojenyacutem proti sobě v poměru k sekundaacuterniacutemu vinutiacute 1+130 umiacutestěnyacutem
na Rx boardu Na obraacutezku 36 je zapojeniacute vstupniacuteho obvodu Rx boardu Elektrickaacute složka
pole maacute vůči zemi na obou vyacutevodech Rx ciacutevek stejnyacute průběh Primaacuterniacute vinutiacute TR maacute
vyvedenyacute střed na zem čiacutemž se elektrickaacute složka pole uzemniacute (teče proud) Protože jsou
Rx1 ciacutevka
Rx2 ciacutevka
Tx ciacutevka
l
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
22
průběhy na obou vyacutevodech stejneacute magnetickeacute toky v TR vyvolaneacute proudem působiacute proti sobě
a na sekundaacuterniacute vinutiacute se neindukuje žaacutedneacute napětiacute Dojde-li k narušeniacute magnetickeacuteho pole
uvnitř detekčniacuteho prostoru vznikaacute rozdiacutel naindukovaneacuteho napětiacute v leveacutem a praveacutem vodiči Rx
ciacutevky Tento rozdiacutel napětiacute maacute za naacutesledek tok proudu kteryacute se uzaviacuteraacute přes primaacuterniacute vinutiacute
TR1 a indukuje napětiacute na sekundaacuterniacute straně Toto napětiacute je daacutele zpracovaacutevaacuteno
Obr 36 Vstupniacute obvod Rx boardu
34 Princip vyhodnocovaacuteniacute Signaacutel na sekundaacuterniacutem vinutiacute transformaacutetoru TR je zpracovaacutevaacuten blokem obvodů pro
uacutepravu signaacutelu Ten obsahuje aktivniacute filtr a integračniacute člen s niacutezko-šumovyacutem operačniacutem
zesilovačem Za integračniacutem členem je měřiciacute bod kteryacute je využit při oživovaacuteniacute detektorů
Napětiacute Ub (balance signal) v tomto bodě se zobrazuje na osciloskopu a jeho maximaacutelniacute
hodnota by neměla přesaacutehnout 6 V špička - špička Čiacutem je rozkmit toho napětiacute nižšiacute tiacutem lze
dosaacutehnout vyššiacute citlivosti detektoru (kap 35 Vyvažovaacuteniacute detektoru) Nuloveacuteho rozkmitu
nelze dosaacutehnout mimo jineacute kvůli vyacuterobniacutem toleranciacutem zařiacutezeniacute a nehomogenitaacutem Citlivost
elektronickyacutech čaacutestiacute je velmi vysokaacute a uplatňujiacute se rušiveacute vlivy při jejich činnosti (vliv
teploty mechanickeacute chvěniacute) Napětiacute Ub odpoviacutedaacute vyrovnaacutevaciacutemu proudu v Rx ciacutevkaacutech
Přiacuteklad jeho průběhu bez kontaminantu je na obr 37
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
23
Obr 37 Přiacuteklad průběhu napětiacute Ub
Napětiacute Ub je přivaacuteděno na dva samostatneacute elektronickeacute obvody (řiacutezeneacute usměrňovače)
ovlaacutedaneacute řiacutediacuteciacutemi napětiacutemi z mikrokontroleru (na Tx boardu) Dvě řiacutediacuteciacute napětiacute jednoho
usměrňovače jsou vůči sobě o π posunuty a zaacuteroveň jsou posunuty o π2 proti dvěma řiacutediacuteciacutem
napětiacutem druheacuteho usměrňovače Vyacutesledkem jsou dva napěťoveacute signaacutely (P a Q) ktereacute jsou daacutele
zpracovaacutevaacuteny (integrace zesiacuteleniacute) s možnostiacute ručniacute volby zesiacuteleniacute ve čtyřech stupniacutech
(ovlaacutedaacuteniacute citlivosti detektoru) Tyto signaacutely jsou již nositelem informace a jsou na Control
boardu převedeny do digitaacutelniacute podoby Takto upraveneacute signaacutely jsou vyhodnocovaacuteny
algoritmy v hlavniacutem mikrokontroleru
35 Vyvažovaacuteniacute detektoru Zaacutekladem kvalitniacute a stabilniacute detekce je ciacutevkovyacute systeacutem Aby se dosaacutehlo co nejlepšiacuteho
vyvaacuteženiacute ciacutevek je nutnaacute přesnaacute bytelnaacute a rozměrově staacutelaacute konstrukce Detektory společnosti
Loma Systems sro majiacute ciacutevky uloženeacute ve vyfreacutezovanyacutech draacutežkaacutech a zajištěneacute epoxidovyacutem
lepidlem I přes to je detektor po osazeniacute elektronikou značně nevyvaacuteženyacute balančniacute napětiacute Ub
překračuje požadovanou hodnotu 6 V špička - špička natolik že může dojiacutet i k saturaci
elektronickyacutech obvodů Je tedy nutneacute ciacutevkovyacute systeacutem vyvaacutežit (vybalancovat)
Nejprve se provede hrubeacute laděniacute spočiacutevajiacuteciacute v tvarovaacuteniacute maleacute smyčky Tx vinutiacute v čele
detektoru obr 38
0 T2 T
25 V Ub
-25 V
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
24
Obr 38 Vyvažovaciacute očko na Tx vinutiacute a vlepenyacute pliacutešek uvnitř detekčniacuteho otvoru
Tato smyčka plniacute funkci kompenzačniacuteho vinutiacute po natvarovaacuteniacute je očko zaliteacute epoxidovyacutem
lepidlem U detektorů s vnitřniacute uacutepravou detekčniacuteho otvoru modryacutem epoxidem se do
detekčniacuteho otvoru daacutele vlepujiacute vyvažovaciacute pliacutešky různyacutech tvarů a velikostiacute (od 1 cm2 do 4
cm2) obr 38 ktereacute se naacutesledně zalijiacute do roviny modryacutem epoxidem Jako materiaacutel
vyvažovaciacutech pliacutešků je použita nerezovaacute ocel ANSI 304 (DIN 14301) tloušťky 2 mm Druhyacute
typ detektorů s odolnyacutem plastovyacutem povrchem (typ US) neumožňuje vlepovaacuteniacute pliacutešků
dovnitř detekčniacuteho otvoru Balancovaacuteniacute se tedy provaacutediacute přesnějšiacutem tvarovaacuteniacutem Tx očka
popřiacutepadě vlepovaacuteniacutem pliacutešků v jeho okoliacute
Pro jemneacute doladěniacute se u obou těchto variant (US typ a klasickyacute s modrou epoxidovou
vyacuteplniacute detekčniacuteho otvoru) osazujiacute balančniacute moduly obr 39 ktereacute na plastoveacutem otočneacutem diacutelu
majiacute tuning block o rozměrech cca 05 cm2 z 5 mm tlusteacuteho nerezu Oba balančniacute moduly
umožňujiacute pohyb tuning blocku v okoliacute vyvažovaciacuteho očka
Obr 39 Balančniacute moduly i s kryciacutemi plechy vlevo US vpravo klasickyacute
Tyto moduly nejsou přiacuteliš efektivniacute a sloužiacute pouze k miacuterneacutemu vyvaacuteženiacute Použiacutevajiacute se dva typy
Tuning block
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
25
těchto modulů podle varianty vnitřniacute vyacuteplně detektoru (US typ a klasickyacute s modrou
epoxidovou vyacuteplniacute detekčniacuteho otvoru) Jedniacutem z přijatyacutech naacutevrhů pro vylepšeniacute detektorů s
modrou epoxidovou vyacuteplniacute je použitiacute stejneacuteho balančniacuteho modulu jako u detektoru typu US
Vyacuterobniacute cena US balančniacuteho modulu je podstatně nižšiacute a umožňuje změnu polohy
vyvažovaciacuteho diacutelu nejen po obvodu kružnice ale i změnu vzdaacutelenosti mezi rovinami očka a
tuning bloku Změna teacuteto vzdaacutelenosti se využije v přiacutepadě kdy po osazeniacute detektoru s modrou
epoxidovou pryskyřiciacute balančniacutem modulem dojde ke zhoršeniacute vyvaacuteženiacute ktereacute pouhyacutem
natočeniacutem po kružnici nelze vykompenzovat Použiacutevaacuteniacutem pouze balančniacuteho modulu typu
US by se dosaacutehlo sniacuteženiacute počtu součaacutestek ve vyacuterobniacutem procesu sniacuteženiacute naacutekladů na vyacuterobu
detektoru s modrou epoxidovou vyacuteplniacute detekčniacuteho prostoru a odstranil by se i probleacutem
vznikajiacuteciacute při osazeniacute těchto detektorů balančniacutemi moduly
Dalšiacute naacutevrh se tyacutekal materiaacutelu použiteacuteho na tuning block Snahou bylo zvyacutešit vliv
tuning bloku natolik aby bylo možneacute vynechat kompenzačniacute očko čiacutemž by došlo k urychleniacute
laděniacute Byly testovaacuteny materiaacutely FeNi47ln5 tloušťky 03 mm a FeNi42 tloušťky 04 mm Byl
zvolen tvar kteryacute umožňoval použitiacute staacutevajiacuteciacutech US modulů obr 310 Vliv tuning blocků
se sice zvyacutešil nicmeacuteně ne natolik aby mohlo byacutet vyvažovaciacute očko zcela vynechaacuteno
Obr 310 Prototypy tuning blocků z novyacutech materiaacutelů
36 Vyacutestupniacute kontrola Před samotnou expediciacute detektoru je nutneacute proveacutest kontrolu detekce Kvalita detekce
je ověřovaacutena třemi typy kontaminantů neželeznyacute - NONFE (mosaz) železnyacute - FE (chromovaacute
ocel) a nerezovyacute - SS (ANSI 304) K tomu jsou určeny přiacutepravky na obr 311 a 312 Jednaacute
se o kuličky definovanyacutech průměrů ktereacute jsou zaliteacute v plastovyacutech tyčinkaacutech opatřenyacutech
rozměrovou specifikaciacute kontaminantu Barva tyček odlišuje použityacute typ kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
26
Obr 311 Testovaciacute vzorky pro dopravniacutekoveacute detektory
Obr 312 Testovaciacute vzorky pro farmaceutickeacute detektory
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
27
4 Optimalizace a stiacuten ěniacute detektoru Jedniacutem z bodů teacuteto praacutece je navrženiacute optimalizaciacute průmysloveacuteho detektoru kovu z
hlediska kvality detekce a vyšetřeniacute elektromagnetickeacuteho pole s ohledem na rušiveacute vlivy Z
počaacutetku byly provaacuteděny pokusy se stiacuteněniacutem ciacutevek s ohledem na rušeniacute vnějšiacutem
elektromagnetickyacutem polem Prvniacute uacutevahy vedly k použitiacute stiacuteniacuteciacuteho materiaacutelu s velkou
permeabilitou kteryacute by do sebe soustředil většiacute množstviacute indukčniacutech čar unikajiacuteciacutech do okoliacute
a tiacutem omezil vnějšiacute rušeniacute Na zaacutekladě teacuteto uacutevahy byly testovaacuteny dva materiaacutely FeNi47ln5
tloušťky 03 mm a FeNi42 tloušťky 04 mm ktereacute mohou dosahovat relativniacute permeability až
micror_12106 [5] Těmito pokusy se sice sniacutežilo množstviacute indukčniacutech čar magnetickeacuteho pole
unikajiacuteciacuteho z detektoru ale vlivem přiacuteliš velkeacute permeability bylo ovlivněno i pole uvnitř
detekčniacuteho prostoru kde došlo ke sniacuteženiacute citlivosti Tento naacutevrh měl dalšiacute negativniacute faktory
jako je vysokaacute cena použityacutech materiaacutelů a omezeneacute vyacuterobniacute možnosti nedostačujiacuteciacute šiacuteřkou
paacutesů což by vedlo ke sklaacutedaacuteniacute plechů vedle sebe a tiacutem ke vzniku nehomogenit
Aby byly optimalizace efektivniacute je třeba znaacutet rozloženiacute elektromagnetickeacuteho pole
uvnitř detektoru a vlivy ktereacute na něj působiacute Proto bylo přistoupeno k využitiacute počiacutetačoveacuteho
softwaru Ansys Jednaacute se o profesionaacutelniacute software založenyacute na metodě konečnyacutech prvků Je
určen předevšiacutem pro simulace mechanickeacuteho namaacutehaacuteniacute ale umožňuje i řešeniacute teplotniacutech
elektromagnetickyacutech a sdruženyacutech poliacute [6] Ansys byl vybraacuten předevšiacutem pro možnost řešeniacute i
3D probleacutemů V teacuteto praacuteci bylo z důvodů vyacutepočetniacute naacuteročnosti a velkeacuteho množstviacute
jednotlivyacutech vyacutepočtů přistoupeno k řešeniacute probleacutemu pouze ve dvourozměrneacutem prostoru V
tomto přiacutepadě je řešeno nestacionaacuterniacute magnetickeacute pole ktereacute popisuje rovnice (41) [7]
( ) extr JArotdt
dABArotrot =timesminus+
minus γυγmicro1
(41)
kde
BArot = (42)
A magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel
micro permeabilita
Br remanentniacute indukce
B magnetickaacute indukce
γ měrnaacute elektrickaacute vodivost
ν rychlost pohybu tělesa v magnetickeacutem poli
Jext vektor vnějšiacute proudoveacute hustoty
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
28
41 Vyšet řovaacuteniacute vlivu pozice Rx vinutiacute Nejprve byly provedeny simulace staacutevajiacuteciacuteho zařiacutezeniacute o rozměrech detekčniacuteho otvoru
150 mm x 350 mm Zaacutekladniacute geometrie probleacutemu je na obraacutezku 41 Pro řešeniacute zaacutekladniacuteho
probleacutemu by bylo možneacute použiacutet symetrii modelu pokud však model doplniacuteme o kontaminant
možnost teacuteto symetrie odpadaacute Byly provedeny tři seacuterie vyacutepočtů ktereacute se lišily materiaacutelem
kontaminantu Každaacute seacuterie se sklaacutedala z 24 samostatnyacutech vyacutepočtů ve kteryacutech se postupně
měnila pozice kontaminantu tak jako je tomu při skutečneacute situaci na dopravniacutem paacutesu
Použityacutem APDL skriptem by bylo možneacute řešit i průchody kontaminantu v různyacutech vyacuteškaacutech
detekčniacuteho otvoru Pro potřeby těchto vyacutepočtů byl průchod zvolen středem jelikož je zde
citlivost detektoru nejnižšiacute Nutno poukaacutezat na skutečnost že kontaminant reprezentovanyacute
kružniciacute v řezu detektoru nelze považovat za kulovyacute nyacutebrž za vodič kruhoveacuteho průřezu
stejneacute deacutelky jako Tx respektive Rx vinutiacute Rozmeziacute pohybu kontaminantu bylo od -230 mm
do 230 mm vůči Tx vinutiacute s krokem 20 mm Obdeacutelniacuteky v okoliacute Tx vinutiacute byly vytvořeny za
uacutečelem možnosti zjemněniacute vyacutepočetniacute siacutetě v prostoru Tx a Rx vinutiacute Na obraacutezku 41 nejsou
namodelovaacuteny Rx ciacutevky neboť hodnota naindukovaneacuteho napětiacute byla ziacuteskaacutevaacutena v pěti
různyacutech vyacuteškovyacutech poziciacutech a bylo hodnoceno indukovaneacute napětiacute Ui
Obr 41 Zaacutekladniacute geometrie
nerezovyacute kryt
vodiče Tx vinutiacute
kontaminant
obdeacutelniacuteky vzduchoveacuteho okoliacute s jemnějšiacute vyacutepočetniacute siacutetiacute střed souřadneacuteho
systeacutemu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
29
411 Preprocessing - p řiacuteprava skriptu Nejprve bylo nutneacute zjistit geometrickeacute rozměry a materiaacuteloveacute konstanty zkoumaneacuteho
detektoru Geometrickeacute rozměry byly ziacuteskaacuteny z databaacuteze Solidworks modelů společnosti
Loma Systems sro V kapitole 71 je uacuteryvek APDL skriptu pro tvorbu geometrie
Materiaacutely použiteacute v modelu jsou vzduch vodiče Tx vinutiacute nerezovyacute obal detektoru a
materiaacutely kontaminantů V raacutemci zjednodušeniacute modelu nebyly uvažovaacuteny PVC izolace Tx
vinutiacute samotneacute Tufneloveacute jaacutedro a materiaacutel s niacutemž je prostor mezi jaacutedrem a nerezovyacutem
krytem vyplněn neboť tyto materiaacutely vykazujiacute z pohledu šiacuteřeniacute elektromagnetickeacuteho pole
stejneacute vlastnosti jako vzduch Konkreacutetniacute hodnoty materiaacutelovyacutech konstant viz tabulka 41
odpor Tx vinutiacute nebyl uvažovaacuten neboť jeho plochy byly zatiacuteženy definovanou proudovou
hustotou tudiacutež neniacute možneacute uvažovat přiacutepadně naindukovaneacute viacuteřiveacute proudy Daacutele bylo nutneacute
zvolit a spraacutevně nastavit použiteacute elementy modelu
Tab 41 Materiaacuteloveacute vlastnosti
měrnaacute
permeabilita [-] měrnyacute elektrickyacute
odpor [Ωm]
vzduch 1 -
Tx vinutiacute 1 -
nerezovaacute ocel (ANSI 304 DIN 14301)
1008 [10] 72010-7
neželeznyacute kontaminant (mosaz)
1 75010-8
železnyacute kontaminant (chromovaacute ocel)
400 12010-7
nerezovyacute kontaminant (ANSI 304 DIN 14301) 1008 72010-7
Jako elementy daneacuteho modelu byly zvoleny elementy PLANE53 určeneacute pro řešeniacute
magnetickeacuteho pole Jednaacute se o osmi uzloveacute elementy ktereacute mohou miacutet až čtyři stupně
volnosti na uzel Stupně volnosti mohou byacutet magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel (AZ) časově
integrovanyacute elektrickyacute skalaacuterniacute potenciaacutel (VOLT) elektrickyacute proud (CURR) a
elektromotorickaacute siacutela (EMF) [6] Geometrie elementu na obr 42
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
30
Obr 42 Geometrie elementu PLANE53 [6]
Uacuteryvek koacutedu v kapitole 72 obsahuje definovaacuteniacute materiaacutelovyacutech vlastnostiacute definovaacuteniacute
elementů a jejich nastaveniacute V dalšiacute časti bylo nutneacute jednotliveacute materiaacutely a elementy přiřadit
danyacutem plochaacutem
Daacutele bylo zapotřebiacute nastavit atributy pro automatickeacute siacuteťovaacuteniacute oblasti Je nutneacute aby v
tenkyacutech a malyacutech plochaacutech byla vyššiacute hustota siacutetě než na velkyacutech plochaacutech kde postačuje siacuteť
řidšiacute Velmi důležitaacute je kompatibilita siacutetě proto byla v okoliacute Tx vodičů vytvořena
obdeacutelniacutekovaacute oblast s hustšiacute siacutetiacute viz uacuteryvek koacutedu v přiacuteloze 73
Obr 43 Detailniacute pohled na siacuteť elementů
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
31
V posledniacute čaacutesti preprocessingu byla definovaacutena Dirichletova okrajovaacute podmiacutenka
udaacutevajiacuteciacute magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel roven nule na vnějšiacute hrany vzduchoveacuteho okoliacute a
průběh budiacuteciacute proudoveacute hustoty v Tx vodičiacutech V horniacutem a dolniacutem vodiči měly toky opačnyacute
smysl proto bylo nutneacute vytvořit dva vektory hodnot J1 (obr 44) a mJ1 V posledniacute řadě bylo
provedeno přiřazeniacute průběhů k plochaacutem viz kapitola 74
Obr 44 Průběh proudoveacute hustoty v ploše Tx vodiče
Ansys byl do Solution modu přepnut přiacutekazem SOL kde se provedlo nastaveniacute
analyacutezy a byl spuštěn vyacutepočet viz kapitola 76
412 Postprocessing - ziacuteskaacutevaacuteniacute vyacutesledk ů Ciacutelem teacuteto čaacutesti bylo zjištěniacute průběhů naindukovanyacutech napětiacute Ui v zaacutevislosti na čase
pro různeacute vyacuteškoveacute pozice přijiacutemaciacutech ciacutevek Rx Pro indukovaneacute napětiacute platiacute vztah
( )Vndt
dU i sdotΦminus= (43)
kde
( )TdxBlx
x
Yint sdotsdot=Φ2
1
(44)
n počet zaacutevitů Rx vinutiacute
l deacutelka Rx vinutiacute ve směru osy Z
x1 a x2 šiacuteřka Rx vinutiacute ve směru osy X
BY složka magnetickeacute indukce v ose Y
Zadaacuteniacutem souřadnic dvou bodů se nadefinovala uacutesečka (cesta) na kterou byly s určityacutem
J (Am-2)
kroky vyacutepočtu (-)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
32
krokem zaznamenaacuteny hodnoty magnetickeacute indukce BY Průběh BY v zaacutevislosti na souřadnici X
je na obr 45
Obr 45 Průběh magnetickeacute indukce BY v zaacutevislosti na souřadnici X
Obr 46 Průběh magnetickeacuteho toku Φ v zaacutevislosti na souřadnici X
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
33
Integrovaacuteniacutem průběhu BY se ziacuteskal průběh magnetickeacuteho indukčniacuteho toku Φ obr 46
Magnetickyacute indukčniacute tok Φ je roven určiteacutemu integraacutelu (rovnice 44) průběhu BY obr 45 Z
toho vyplyacutevaacute že magnetickyacute indukčniacute tok je roven posledniacute hodnotě průběhu na obr 46
Tato hodnota se vynaacutesobila deacutelkou Rx vinutiacute Postup vyacutepočtu se opakoval pro všechny pozice
Rx vinutiacute a to v každeacutem kroku transientniacute analyacutezy Tiacutem se ziacuteskala zaacutevislost magnetickeacuteho
indukčniacuteho toku Φ na čase t V programu MS Excel se vynaacutesobil tok počtem zaacutevitů Rx vinutiacute
a byla provedena derivace podle času (rovnice 43) Takto byly zpracovaacuteny vyacutesledky pro
všechny pozice kontaminantu vůči Tx vinutiacute APDL skript pro ziacuteskaacutevaacuteniacute hodnot viz kapitola
76 a v kapitole 77 je vyacutepis makra ktereacute uklaacutedaacute hodnoty do souboru
413 Hodnoceniacute vyacutesledk ů Vypočteneacute hodnoty Ui ve všech pěti vyacuteškovyacutech poziciacutech hrx byly vyneseny do grafů v
zaacutevislosti na čase Pokud se vynesou do jednoho grafu průběhy indukovanyacutech napětiacute pro
každou pozici kontaminantu v daneacute vyacutešce lze sledovat odezvu indukovaneacuteho napětiacute na
polohu kontaminantu Jelikož byly provedeny tři seacuterie vyacutepočtů s různyacutemi kontaminanty lze
porovnat i tvary přijiacutemanyacutech signaacutelu pro jednotliveacute materiaacutely Ciacutelem teacuteto čaacutesti je porovnat
signaacutely ziacuteskaacutevaneacute v různyacutech vyacuteškovyacutech polohaacutech Rx vinutiacute a vybrat nejvhodnějšiacute signaacutel pro
detekci
Na naacutesledujiacuteciacutech grafech jsou znaacutezorněny napěťoveacute průběhy během jedneacute periody v
zaacutevislosti na poloze kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
34
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 47 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 48 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
35
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 49 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 410 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
36
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 411 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 5)
Na obraacutezciacutech 47 až 411 jsou zobrazeny průběhy odpoviacutedajiacuteciacute průchodu železneacuteho
kontaminantu s relativniacute permeablitou 400 a měrnyacutem elektrickyacutem odporem 10210-7 Ωm Na
průběziacutech 47 48 a 411 lze pozorovat sice nižšiacute hodnotu signaacutelu ale celkovaacute deformace
během průchodu kontaminantu je většiacute
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 412 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
37
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 413 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 414 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
38
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 415 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 416 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce5)
Na obraacutezciacutech 412 až 416 jsou zobrazeneacute průběhy odpoviacutedajiacuteciacute průchodu kontaminantu z
nerezu ANSI 304 s relativniacute permeablitou 1008 a měrnyacutem elektrickyacutem odporem 7210-7
Ωm Při porovnaacuteniacute s předchoziacutem kontaminantem je změna signaacutelu nižšiacute což odpoviacutedaacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
39
předpokladům o obtiacutežnějšiacute detekci nerezovyacutech kontaminantů
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 417 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 418 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
40
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 419 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 420 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
41
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 421 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 5)
Na obraacutezciacutech 417 až 421 jsou zobrazeny průběhy odpoviacutedajiacuteciacute neželezneacutemu
kontaminantu (mědi) s parametry relativniacute permeablita 1 a měrnyacute elektrickyacute odpor 7510-8
Ωm Průběh signaacutelu je velmi podobnyacute signaacutelům nerezoveacuteho kontaminantu
Porovnaacuteniacutem všech grafů (obr 47 - obr 422) je obecně vidět že u průběhů ve vyacutešce
3 a 4 je zisk signaacutelu pro všechny modelovaneacute kontaminanty největšiacute Dochaacuteziacute zde ale ke
změně amplitudy pouze v jednom smyslu což z hlediska vyhodnocovaciacutech algoritmů zlepšeniacute
detekce vylučuje Naproti tomu je u signaacutelu ve vyacutešce 5 znatelně vyššiacute amplituda než v
použiacutevaneacute vyacutešce 2 Na zaacutekladě tohoto zjištěniacute bude zhotoven prototyp detektoru za uacutečelem
ověřeniacute teoretickyacutech vyacutesledků
Na obraacutezku 422 je ukaacutezka grafickeacuteho vyacutestupu zobrazujiacuteciacuteho vektory proudoveacute
hustoty naindukovaneacute v nerezoveacutem krytu a v kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
42
Obr 422 Vektory proudovyacutech hustot naindukovanyacutech do kontaminantu a nerezoveacuteho krytu
Obraacutezek 423 zobrazuje kontury magnetickeacuteho pole ve stejneacutem časoveacutem kroku jako obr
422 Pole ktereacute je konturami zobrazeno je tvořeno praacutevě proudovou hustotou obr 422 Je
zde možneacute pozorovat jak se pole deformuje přiacutetomnyacutem kontaminantem
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
43
Obr 423 Kontury magnetickeacuteho vektoroveacuteho potenciaacutelu s viditelnou deformaciacute pole způsobenou
feromagnetickyacutem kontaminantem
42 Vyšet řovaacuteniacute množstviacute vyza řovaneacute energie V teacuteto čaacutesti se vychaacutezelo z předpokladu že intenzita elektromagnetickeacuteho pole uvnitř
detektoru je mnohem většiacute než elektromagnetickyacute šum kteryacute do detektoru vnikaacute z okoliacute
Proto lze předpoklaacutedat že rušeniacute bude způsobeno předevšiacutem deformaciacute vlastniacuteho
vyzařovaneacuteho pole v bliacutezkeacutem okoliacute detektoru To vede ke snaze snižovat množstviacute vlastniacuteho
vyzaacuteřeneacuteho pole ven z detektoru aby nemohlo byacutet deformovaacuteno okolniacutemi předměty
421 Řešeniacute probleacutemu Bylo porovnaacuteno pět variant detektorů bez průchodu kontaminantu Každaacute varianta se
řešila jedniacutem vyacutepočtem z čehož plyne malaacute časovaacute naacuteročnost a proto byly probleacutemy řešeny
bez využitiacute symetrie Prvniacute byl staacutevajiacuteciacute detektor o tloušťce kryciacuteho nerezoveacuteho plechu 3 mm
druhyacute byl stejneacute geometrie ale za použitiacute silnějšiacuteho 5 mm tlusteacuteho nerezu Třetiacute typ měl
tloušťku 3 mm ale na horniacute a dolniacute stěně bylo přidaacuteno dalšiacute stiacuteněniacute z nerezu ve tvaru T (obr
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
44
426) Posledniacute dva naacutevrhy měly pravouacutehlyacute tvar krytu celkově menšiacutech rozměrů z nichž jeden
byl jednoduchyacute o tloušťce 3 mm (obr 427) a druhyacute měl shora a zdola dvojiteacute dno z nerezu
tloušťky 3 mm (obr_428) Touto metodou by se dalo porovnaacutevat mnohem většiacute množstviacute
provedeniacute ktereacute by se mohly lišit i použityacutem materiaacutelem Vzduchoveacute okoliacute detektoru bylo
rozděleno na čtyři sektory v nichž se sečetly hodnoty magnetickeacute energie jednotlivyacutech
elementů v každeacutem kroku analyacutezy a tiacutem se ziacuteskal průběh množstviacute energie v daneacutem prostoru
na čase Objemovaacute hustota magnetickeacute energie byla zjišťovaacutena ve všech plochaacutech daneacute
geometrie a bylo možno sledovat jak se energie v čase přemisťuje
Obr 424 Geometrie varianty 3 mm
Obr 425 Geometrie varianty 5 mm
Obr 426 Geometrie varianty 3 mm-stineni
Obr 427 Geometrie varianty novy 1
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
45
Obr 428 Geometrie varianty novy 2
Přiacuteprava skriptů se od předchoziacutech vyacutepočtů lišila pouze v geometrii jinak byla
principiaacutelně stejnaacute Rozdiacutel byl však v čaacutesti post-processingu (ziacuteskaacutevaacuteniacute vyacutesledků) Aby bylo
možno přistupovat k jednotlivyacutem sektorům musel byacutet každyacute sektor definovaacuten vlastniacutem typem
elementů (elementy byly použity stejneacute jednaacute se pouze o čiacuteslovaacuteniacute) Byly použity osmkraacutet
elementy PLANE53
ET153 Tx vinuti ET253 prostor uvnitr detektoru ET353 nerezovy obal ET453 detekcni prostor ET553 vzduchove okoli - horni ET653 vzduchove okoli - pravy ET753 vzduchove okoli - dolni ET853 vzduchove okoli - levy
Přiacuteklad načiacutetaacuteniacute vyacutesledků pro jeden typ elementů
POST1 prepnutiacute do postprocesoru allsel oznaceni vsech elementu vytvoreni pole pro ukadani hodnot DIMenergie1TABLEkroku11timeE zapsani nulovych hodnot na zacatek vektoru vysledku energie1(00)=0 energie1(01)=0 cyklus ve kterem se nacitaji vysledky jednotlivych kroku simulace doi1kroku1 APPEND 1 i nacteni daneho kroku eseltype1 vybrani elementu typu 1 GET e_count1 ELEM count vraci mnozstvi elementu daneho typu GET e_next ELEM 0 NXTH vraci nejnizsi adresu elementu daneho typu v promenne e_next energ1=0 vynulovani promenne cyklus ktery postupne prochazi vsechy elementy daneho typu doj1e_count11 GET e_energ1 ELEM e_next SENE ulozi do promene e_energ1 mnozstvi energie v elementu s adresou e_next
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
46
GET e_next ELEM e_next NXTH posune adresu elementu o jedna energ1=energ1+e_energ1 pricte mnozstvi energie e_energ1 do kumulativni promnenne energ1 enddo konec vnitrniho cyklu energie1(i0)=i zapise do pole vysledku cislu jirju simulace energie1(i1)=energ1 zapise do pole vysledku mnozstvi energie v cele plose s elementy daneho typu enddo konec vnejsiho cyklu zapis_energ zavolani makra pro zapis vysledku do souboru
422 Hodnoceniacute vyacutesledk ů V jednotlivyacutech sektorech se provedla suma magnetickeacute energie pro každyacute krok
simulace Vyacutesledkem jsou průběhy množstviacute energie v daneacute ploše v zaacutevislosti na krociacutech
simulace (čase) Jednotliveacute varianty byly hodnoceny na zaacutekladě porovnaacuteniacute průběhů se
staacutevajiacuteciacutem detektorem
Energie v Tx vinutiacute
000E+00
100E-03
200E-03
300E-03
400E-03
500E-03
600E-03
700E-03
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 429 Energie v Tx vinutiacute
Na grafu (obr 429) je vidět že množstviacute energie v Tx vinutiacute neniacute zaacutevisleacute na geometrii a je
daacuteno budiacuteciacutem signaacutelem v Tx vinutiacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
47
Energie unit ř detektoru
000E+00
200E-02
400E-02
600E-02
800E-02
100E-01
120E-01
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 430 Energie uvnitř detektoru
Na obr 430 je znaacutezorněno množstviacute energie v prostoru detektoru do ktereacuteho neniacute
započiacutetaacutena detekčniacute oblast ta je zobrazena na obr 432 V teacuteto čaacutesti neniacute pozorovaacutena žaacutednaacute
vyacuteraznaacute změna
Energie v nerezoveacutem obalu
000E+00
500E-05
100E-04
150E-04
200E-04
250E-04
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 431 Energie v nerezoveacutem obalu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
48
Vyacuteraznějšiacute změny se odehraacutevajiacute v nerezoveacutem obalu Nejmenšiacute množstviacute energie je v klasickeacute
3 mm tlusteacute a v 5 mm tlusteacute variantě U klasickeacute varianty se stiacuteněniacutem a u novyacutech naacutevrhů je
naacuterůst způsoben přibliacuteženiacutem nerezu k Tx vinutiacute
Energie v prostoru detek čniacuteho otvoru
000E+00
500E-03
100E-02
150E-02
200E-02
250E-02
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 432 Energie v prostoru detekčniacuteho otvoru
V oblasti detekčniacuteho otvoru je snaha o uchovaacuteniacute co největšiacuteho množstviacute energie neboť
zmenšeniacute energie vede ke sniacuteženiacute odezvy na kontaminant tedy ke sniacuteženiacute citlivosti detektoru
Z obr 432 je patrneacute že geometrickeacute uacutepravy detektoru (3 mm se stiacuteněniacutem novy 1 a novy 2)
vedou ke sniacuteženiacute množstviacute energie v tomto prostoru
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
49
Energie v horniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
100E-07
200E-07
300E-07
400E-07
500E-07
600E-07
700E-07
800E-07
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 433 Energie v horniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Energie v dolniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
100E-07
200E-07
300E-07
400E-07
500E-07
600E-07
700E-07
800E-07
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 434 Energie v dolniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Porovnajiacute-li se obr 433 a 434 je u variant 1 - 3 možneacute pozorovat rozdiacutely mezi horniacute a dolniacute
plochou Je zde na prvniacute pohled vidět jak horniacute oblouk snižuje množstviacute energie unikajiacuteciacute do
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
50
okoliacute Jako uacutečinneacute se z pohledu těchto sektorů jeviacute varianta klasickeacuteho detektoru se stiacuteněniacutem a
novyacute naacutevrh s dvojityacutemi stěnami
Energie v praveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
500E-06
100E-05
150E-05
200E-05
250E-05
300E-05
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 435 Energie v praveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Energie v leveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
500E-06
100E-05
150E-05
200E-05
250E-05
300E-05
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 436 Energie v leveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
51
Pravyacute a levyacute sektor je z důvodů symetrie stejnyacute na obrazciacutech 435 a 436 lze pozorovat tzv
metal free zoacutenu kteraacute se u detektorů udaacutevaacute Jednaacute se o prostor před a za detekčniacutem otvorem
ve ktereacutem se nesmiacute nachaacutezet žaacutednyacute kovovyacute materiaacutel (z důvodu ovlivňovaacuteniacute pole) snahou je
tuto zoacutenu co nejviacutece zmenšit Z grafů je patrneacute že novyacute naacutevrh s dvojityacutemi stěnami vykazuje
nejmenšiacute množstviacute energie v teacuteto oblasti Naopak u klasickeacute varianty se stiacuteněniacutem došlo k
vytlačeniacute pole z vnitřku detektoru praacutevě do těchto okolniacutech zoacuten
Na zaacutekladě těchto poznatků bude provedeno ověřeniacute na skutečnyacutech zařiacutezeniacutech Mezi
použitelneacute varianty připadaacute klasickaacute konstrukce doplněnaacute o stiacuteněniacute a novyacute naacutevrh s dvojityacutemi
stěnami U toho je však velkaacute hrozba sniacuteženiacute citlivosti způsobeneacute menšiacutem množstviacutem energie
v detekčniacutem prostoru
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
52
5 Zaacutevěr Ciacutelem předklaacutedaneacute praacutece je zlepšeniacute činnosti detektorů kovů přiacutepadně uacuteprava
technologie vyacuteroby při současneacutem sniacuteženiacute vyacuterobniacutech naacutekladů Předpokladem uacutespěšnyacutech
naacutevrhů byla podrobnaacute studie činnosti a principu těchto zařiacutezeniacute kteraacute jsou vyacuterobcem po
několik let uacutespěšně prodaacutevaacutena na světovyacutech trziacutech
Na zaacutekladě těchto požadavků byly provedeny některeacute testy ktereacute měly ověřit
předpoklaacutedanaacute zlepšeniacute Nejširšiacute možnosti přinaacutešiacute modelovaacuteniacute magnetickeacuteho pole
průmyslovyacutech detektorů počiacutetačovou simulaciacute kteraacute je zatiacutem schopna řešit zadaneacute probleacutemy
v dvourozměrneacutem prostoru Nejčastěji řešeneacute probleacutemy jsou staacutele spojeny se zaacutekladniacutem
principem činnosti těchto zařiacutezeniacute tj vlivem a působeniacutem kontaminantu na
elektromagnetickeacute pole buzeneacute ciacutevkami uvnitř detektoru a nepřiacuteznivyacute vliv vnějšiacutech rušivyacutech
poliacute např při současneacute činnosti sousedniacutech detektorů Dalšiacutem zdrojem rušivyacutech magnetickyacutech
poliacute může byacutet i činnost a přiacutetomnost různyacutech elektrickyacutech zařiacutezeniacute probleacutem spojenyacute s
vhodnyacutem materiaacutelem a tvarem stiacuteněniacute těchto zařiacutezeniacute
Vzhledem k maximaacutelniacute citlivosti elektronickyacutech obvodů a požadovaneacute pečlivosti při
balancovaacuteniacute (vyvažovaacuteniacute) se vyskytuje probleacutem kteryacute souvisiacute se staacutelostiacute nastaveniacute detektoru
při mechanickeacutem otřesu přiacutepadně odstraněniacute změn ke kteryacutem dochaacuteziacute vlivem dopravy
Dalšiacutem plaacutenovanyacutem krokem je namodelovaacuteniacute probleacutemu v trojrozměrneacutem prostoru od
ktereacuteho je očekaacutevaacuteno zohledněniacute dalšiacutech vlivů a tiacutem zpřesněniacute samotneacuteho vyacutesledku
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
53
6 Použitaacute literatura [1] Internetoveacute straacutenky společnosti Loma Systems sro
httpwwwlomacom_czindexshtml
[2] Haacutejek J Jarchovskyacute Z Detektory kovů - naacutevod na stavbu nakladatelstviacute BEN Praha
2010
[3] Beneda L Detektory kovů bakalaacuteřskaacute praacutece ZČU Plzeň 2010
[4] Internetoveacute straacutenky společnosti Ad controls sro
httpwwwadcontrolsczdetektory_kovu_zakladni_pojmy
[5] KOVOHUTĚ ROKYCANY as COMTES FHT as MATEX sro Průběžnaacute
zpraacuteva k projektu FeNi - čj 1021207 - 32 za rok (2007 - 2009)
[6] Ansys Inc ANSYS HELP Release 130 Dokumentace k programu
[7] Karban P a kolektiv autorů Aplikace teoretickeacute elektrotechniky Skripta ZČU Plzeň
2011
[8] Benešovaacute Z Ulrych B Přiacuteručka pro použitiacute programů ve vyacuteuce teorie
elektromagnetickeacuteho pole Skripta ZČU Plzeň 1997
[9] Loma Systems sro Knowledge Base - Interniacute dokumentace společnosti
[10] Internetoveacute straacutenky společnosti Aerospace specification metals Inc
httpasmmatwebcomsearchSpecificMaterialaspbassnum=MQ304A
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
1
7 Přiacutelohy
71 Tvorba geometrie PREP7 prepnuti do rezimu preprocesingu jj=8 index polohy kontaminantu r1=05e-3 polomer Tx vodice 05 mm r2=15e-3 polomer kontaminantu 15 mm c=90e-3 sirka Rx civek h=1767e-3 vzdalenost mezi Tx vinutim hrx=(h2)+526e-3 zakladni vyskova poloha mezi Rx civkami hss=175e-3 vyska nerezoveho krytu wss=150e-3 sirka nerezoveho krytu tss=3e-3 tloustka nerezove steny hd=h-227e-3 vyska detekcniho otvoru wok=1000e-3 sirka vzduchoveho okoli hok=1000e-3 vyska vzduchoveho okoli wkon=(-250e-3)+(jj20e-3) poloha kontaminantu na ose X tvorba geometrickych bodu nerezoveho krytu K1022589e-30 K2022185e-30 K3-7907e-321208e-30 K4-78e-32085e-30 K57907e-321208e-30 K678e-32085e-30 K7-wsshss0 K8-wss+tsshss-tss0 K9wsshss0 K10wss-tsshss-tss0 K11-wss-hss0 K12-wss+tss-hss+tss0 K13wss-hss0 K14wss-tss-hss+tss0 vytvoreni ploch definovanymi body FLST273 FITEM27 FITEM23 FITEM21 FITEM25 FITEM29 FITEM213 FITEM211 AP51X FLST273 FITEM28 FITEM24 FITEM22 FITEM26 FITEM210 FITEM214 FITEM212 AP51X CYL40h2r1 plocha horniho Tx vodice CYL40-h2r1 ploch dolniho Tx vodice BLC50((h2)+hrx)2100e-310e-3 plocha horniho vzduchoveho okoli Tx vodice BLC50-((h2)+hrx)2100e-310e-3 plocha dolniho vzduchoveho okoli Tx vodice BLC5002wsshd plocha detekcniho ootvoru APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch odstraneni ploch ktere budou sjednoceny se vzduchovym okolim
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
2
FLST255ORDE4 FITEM210 FITEM2-12 FITEM215 FITEM218 ADELEP51X BLC500wokhok vytvoreni plochy vzduchoveho okoli APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch CYL4wkon0r2 vytvoreni plochy kontaminantu APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch konec tvorby geometrickeho modelu
72 Definice element ů materiaacutel ů a jejich p řiřazeniacute k plochaacutem definovani materialu MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX11 material 1 Tx permeabilita 1 MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX21 material 2 Air permeabilita 1 MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX31008 material 3 nerezovy kryt SS ANSI 304 permeabilita MPTEMP MPTEMP10 MPDATARSVX372e-7 material 3 nerezoovy kryt SS Ansi 304 rezistivita MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX4400 material 4 Kontaminant permeabilita MPTEMP MPTEMP10 MPDATARSVX4102e-7 material 4 Kontaminant rezistivita definovani elementu ET153 Tx civky ET253 Vzduch ET353 nerezovy kryt ET453 kontaminant nastaveni elementu KEYOPT110 Tx civky KEYOPT120 KEYOPT130 KEYOPT140 KEYOPT150 KEYOPT170 KEYOPT210 Air KEYOPT220 KEYOPT230 KEYOPT240 KEYOPT250 KEYOPT270 KEYOPT310 SS KEYOPT320 KEYOPT330 KEYOPT340 KEYOPT350
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
3
KEYOPT370 KEYOPT410 kontaminant KEYOPT420 KEYOPT430 KEYOPT440 KEYOPT450 KEYOPT470 prirazeni elementu a materialum k plocham FLST525ORDE2 Tx FITEM58 FITEM5-9 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 1 1 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 FLST535ORDE3 Air FITEM53 FITEM516 FITEM5-17 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 2 2 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 FLST525ORDE2 SS FITEM513 FITEM5-14 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 3 3 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 CM_YAREA kontaminant ASEL 1 CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 4 4 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
4
73 Siacuteťovaacuteniacute oblastiacute FLST275ORDE7 FITEM21 FITEM28 FITEM2-9 FITEM213 FITEM2-14 FITEM216 FITEM2-17 AESIZEP51X00005 nastaveni delky steny elementu 00005 m FLST215ORDE1 FITEM23 AESIZEP51X001 nastaveni delky steny elementu 001 m MSHAPE12D nastaveni 2D trojuhelnikove site MSHKEY0 FLST585ORDE8 FITEM51 FITEM53 FITEM58 FITEM5-9 FITEM513 FITEM5-14 FITEM516 FITEM5-17 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CHKMSHAREA CMSELS_Y AMESH_Y1 spusteni automatickeho sitovani CMDELE_Y CMDELE_Y1 CMDELE_Y2
74 Okrajovaacute podmiacutenka a nastaveniacute budiciacuteho pr ůběhu okrajova podminka FLST244ORDE4 FITEM214 FITEM212 FITEM27 FITEM25 DLP51X AZ0 nastaveni zatizeni parametry budici proudove hustoty f=35e3 frekvence signalu [Hz] part=600 pocet kroku signalu T_min=0 pocatek casove osy T_max=1f konec casove osy dt=T_maxpart casovy krok parametry prudove hustoty pi=4atan(1) s=pir12 I=600sqrt(2) N1=1 J1_a=IN1s definovani vzestupne casti pulsu tau=3 DIMJexTABLE5011timeJ Jex(11)=0
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
5
Jex(10)=0 doi2501 Jex(i1)=(J1_a)(1-exp(-itau)) Jex(i0)=(i) enddo definovani sestupne casti pulsu tau=3 DIMJex1TABLE5011timeJ Jex1(11)=J1_a Jex1(10)=0 doi2501 Jex1(i1)=(J1_a)(exp(-itau)) Jex1(i0)=(i) enddo sestaveni celeho pulsu DIMJex2TABLE10011timeJ Jex2(11)=0 Jex2(10)=0 doi2501 Jex2(i1)=Jex(i1) Jex2(i0)=(i) enddo doi511001 Jex2(i1)=Jex1(i-501) Jex2(i0)=(i) enddo priprava nulovych vektoru kladneho a zaporneho prubehu J DIMJ1TABLE60011timeJ DIMmJ1TABLE60011timeJ doi16001 J1(i0)=(i-1)dt time J1(i1)=0 J mJ1(i0)=(i-1)dt time mJ1(i1)=0 -J enddo vlozeni prvniho pulsu doi11001 J1(i1)=Jex2(i1) mJ1(i1)=-Jex2(i1) enddo vlozeni druheho pulsu doi3004001 J1(i1)=-Jex2(i-3001) mJ1(i1)=Jex2(i-3001) enddo prirazeni prubehu k plocham PREP7 FLST215ORDE1 FITEM28 BFAP51XJSJ1 FLST215ORDE1 FITEM29 BFAP51XJSmJ1
75 Nastaveniacute analyacutezy SOL prepnuti do Solution modu - nastaveni analyzy kroku=300 pocet kroku simulace ANTYPE4 TRNOPTFULL
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
6
NSUBSTkroku00 OUTRESERASE OUTRESALL1 TIMET_max solve spusti vypocet ulohy
76 Postprocessing POST1 prepne do Preprocesing modu krokyb=200 pocet kroku na delku coilgapu L=03 delka Rx snimace hrx1=(h2)+10e-3 jednotlive vyskove pozice Rx vinuti hrx2=(h2)+526e-3 hrx3=(h2) hrx4=((h2)-526e-3) hrx5=((h2)-10e-3) vytvoreni pole hodnot - 10 sloupcu x 300 radku sloupce odpovidaji poctu jednotlivych civek 2x5 (5 poloh horni a dolni civka) DIMTOKTABLEkroku101SUBSTEP TOK(00)=0 TOK(01)=0 TOK(02)=0 TOK(03)=0 TOK(04)=0 TOK(05)=0 TOK(06)=0 TOK(07)=0 TOK(08)=0 TOK(09)=0 TOK(010)=0 dok1kroku1 hlavni cyklus pocet cyklu odpovida poctu kroku analyzy APPEND 1 k nacteni k-teho kroku analyzy tato cast kodu je nutna pro kazdou civku zvlast (10x se opakuje) PATHHORNI26krokyb-1 definovani cesty horni civky PPATH10-c2hrx10 levy koncovy bod PPATH20c2hrx10 pravy koncovy bod PDEF BYAVG namapovani Y-slozky magneticke indukce B PCALCINTGINT_HORBYXGL vypocet integralu z By podle dX PBCPATH 0 PAGETHORNI1_TABL ulozeni hodnot ziskanych na definovane ceste do pole HORNI1_ PADELALL smazani cesty i s hodnotamy (pole HORNI1_ zustava) konec opakujici se casti prirazovani posledni hodnoty integralu do prislusneho pole vysledku TOK(k0)=k casova osa TOK(k1)=HORNI1_(krokyb6) TOK(k2)=DOLNI1_(krokyb6) TOK(k3)=HORNI2_(krokyb6) TOK(k4)=DOLNI2_(krokyb6) TOK(k5)=HORNI3_(krokyb6) TOK(k6)=DOLNI3_(krokyb6) TOK(k7)=HORNI4_(krokyb6) TOK(k8)=DOLNI4_(krokyb6) TOK(k9)=HORNI5_(krokyb6) TOK(k10)=DOLNI5_(krokyb6) DELPRM_ smaze vsechny pole vysledku koncici znakem _ enddo konec cyklu zapis_tok odkaz na skript pro zapsani pole vysledku do souboru txt
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
7
77 Makro Vyacutepis makra ktereacute uklaacutedaacute hodnoty do souboru tok_fitxt
MWRITETOK(111)tok_fitxt vytvori soubor tok_fitxt a ulozi do
nej matici vysletku TOK
(10E135) urcuje format zapisu hodnot - 10
sloupcu cisel o celkove delce 13ti
znaku z toho 5 za desetinou teckou
CFCLOS uzavre soubor
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
8
Eviden čniacute list
Souhlasiacutem s tiacutem aby moje bakalaacuteřskaacute praacutece byla půjčovaacutena k prezenčniacutemu studiu v
Univerzitniacute knihově ZČU v Plzni
Datum Podpis
Uživatel stvrzuje svyacutem čitelnyacutem podpisem že tuto bakalaacuteřskou praacuteci použil ke studijniacutem
uacutečelům a prohlašuje že ji uvede mezi použityacutemi prameny
Jmeacuteno Fakultakatedra Datum Podpis
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
18
a celkoveacute zvyacutešeniacute kvality detekce neboť rychlyacutem změnaacutem budiacuteciacuteho proudu odpoviacutedaacute velkaacute
změna magnetickeacuteho indukčniacuteho toku Dle Faradayova indukčniacuteho zaacutekona je velikost
indukovaneacuteho napětiacute daacutena rychlostiacute změny magnetickeacuteho indukčniacuteho toku (31)
tU i ∆
∆Φminus= (31)
Činnost Tx boardu (vysiacutelaciacute desky) je řiacutezena mikrokontrolerem kteryacute komunikuje s
Control boardem seacuteriovyacutem rozhraniacutem Deska umožňuje kontrolu napaacutejeniacute vysiacutelaciacuteho proudu
teploty a přiacutepadneacute přerušeniacute Tx vinutiacute (vysiacutelaciacute ciacutevky) Mikrokontroler řiacutediacute jak vysiacutelaciacute
průběh tak vyhodnocovaciacute obvody ktereacute jsou na Rx boardu (přijiacutemaciacute deska)
Na Tx board jsou přivaacuteděna napětiacute 12 V -12 V proti zemi použiacutevanaacute k buzeniacute Tx
vinutiacute Z kladneacuteho napětiacute se daacutele ziacuteskaacutevaacute napětiacute 33 V a 18 V pro napaacutejeniacute ostatniacutech obvodů
Budiacuteciacute signaacutel je kvůli požadovaneacutemu vysokeacutemu pulsniacutemu vyacutekonu odebiacuteraacuten z kondenzaacutetoroveacute
baterie Velikost odebiacuteraneacuteho proudu je měřena operačniacutem zesilovačem zapojenyacutem jako
převodniacutek IU
Vyacutekonovaacute čaacutest Tx boardu je tvořena čtyřmi MOSFET tranzistory řiacutezenyacutemi
mikrokontrolerem Vyacutekonoveacute tranzistory T1 až T4 jsou zapojeny dle obr 32
Obr 32 Zapojeniacute koncoveacute čaacutesti vysiacutelače
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
19
Vysiacutelaciacute ciacutevka je tvořena pouze jedniacutem zaacutevitem Cu draacutetu ϕ 1 mm jeho indukčnost a kapacita
je vzhledem k jeho vodivosti zanedbatelnaacute a při nižšiacutech frekvenciacutech se tedy chovaacute jako zkrat
Pokud je časovyacute posuv mezi U1 a U2 roven nule pak napětiacute UTX je takeacute rovno nule a Tx
ciacutevkou neteče žaacutednyacute proud obr 33
-12
-8
-4
0
4
8
12
16U1 (V)
-16
-12
-8
-4
0
4
8
12
16
000E+00 100E-05 200E-05 300E-05 400E-05 500E-05 600E-05
čas (s)
U2 (V)
Obr 331 Průběhy signaacutelů U1 a U2 přivaacuteděnyacutech na vyacutevody Tx vinutiacute V detektoru by se dala naměřit pouze elektrickaacute složka pole odpoviacutedajiacuteciacute původniacutemu signaacutelu
Pro detekci kovu je však důležiteacute elektromagnetickeacute pole kteraacute vznikaacute průchodem proudu
vinutiacutem Proudoveacuteho impulsu je dosaženo časovyacutem posunem mezi napětiacutemi U1 a U2
přivaacuteděnyacutemi na svorky Tx vinutiacute V tomto přiacutepadě potečou zkratoveacute proudoveacute pulsy
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
20
odpoviacutedajiacuteciacute připojeneacutemu napětiacute UTX viz obr 34 Vyacutekon detektoru je tedy řiacutezen časovyacutem
posunem mezi průběhy napětiacute U1 a U2 Tomuto časoveacutemu posuvu pak odpoviacutedaacute i velikost
odebiacuteraneacuteho proudu do Tx vinutiacute
-12
-8
-4
0
4
8
12
16U1 (V)
-12
-8
-4
0
4
8
12
16U2 (V)
000E+00 100E-05 200E-05 300E-05 400E-05 500E-05 600E-05
Čas (s)
I (A)
Obr 34 Časově posunutaacute napětiacute U1 U2 přivaacuteděnaacute na vyacutevody Tx vinutiacute a průběh proudu I v Tx vinutiacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
21
33 Přijiacutemaciacute čaacutest - Rx Zaacutekladem přijiacutemaciacute čaacutesti je soustava složenaacute ze dvou paralelně spojenyacutech Rx ciacutevek
podle obr 35 každaacute se dvěma zaacutevity U tohoto uspořaacutedaacuteniacute hraje důležitou roli smysl vinutiacute
Rx ciacutevek (označeniacute počaacutetku a konce vinutiacute) a jejich přesnaacute poloha Tx musiacute prochaacutezet přesně
v jedneacute polovině vzdaacutelenosti l
Obr 35 Geometrickeacute uspořaacutedaacuteniacute je voleno tak že pokud neprochaacuteziacute detektorem kontaminant napětiacute
indukovaneacute napaacutejenou ciacutevkou Tx do Rx ciacutevek je minimaacutelniacute
Jak bylo řečeno v kapitole 32 pro detekci kovu je podstatneacute elektromagnetickeacute pole
Elektrickeacute pole je odstraněno na primaacuterniacutem vinutiacute vstupniacuteho transformaacutetoru TR s dvojityacutem
primaacuterniacutem vinutiacutem zapojenyacutem proti sobě v poměru k sekundaacuterniacutemu vinutiacute 1+130 umiacutestěnyacutem
na Rx boardu Na obraacutezku 36 je zapojeniacute vstupniacuteho obvodu Rx boardu Elektrickaacute složka
pole maacute vůči zemi na obou vyacutevodech Rx ciacutevek stejnyacute průběh Primaacuterniacute vinutiacute TR maacute
vyvedenyacute střed na zem čiacutemž se elektrickaacute složka pole uzemniacute (teče proud) Protože jsou
Rx1 ciacutevka
Rx2 ciacutevka
Tx ciacutevka
l
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
22
průběhy na obou vyacutevodech stejneacute magnetickeacute toky v TR vyvolaneacute proudem působiacute proti sobě
a na sekundaacuterniacute vinutiacute se neindukuje žaacutedneacute napětiacute Dojde-li k narušeniacute magnetickeacuteho pole
uvnitř detekčniacuteho prostoru vznikaacute rozdiacutel naindukovaneacuteho napětiacute v leveacutem a praveacutem vodiči Rx
ciacutevky Tento rozdiacutel napětiacute maacute za naacutesledek tok proudu kteryacute se uzaviacuteraacute přes primaacuterniacute vinutiacute
TR1 a indukuje napětiacute na sekundaacuterniacute straně Toto napětiacute je daacutele zpracovaacutevaacuteno
Obr 36 Vstupniacute obvod Rx boardu
34 Princip vyhodnocovaacuteniacute Signaacutel na sekundaacuterniacutem vinutiacute transformaacutetoru TR je zpracovaacutevaacuten blokem obvodů pro
uacutepravu signaacutelu Ten obsahuje aktivniacute filtr a integračniacute člen s niacutezko-šumovyacutem operačniacutem
zesilovačem Za integračniacutem členem je měřiciacute bod kteryacute je využit při oživovaacuteniacute detektorů
Napětiacute Ub (balance signal) v tomto bodě se zobrazuje na osciloskopu a jeho maximaacutelniacute
hodnota by neměla přesaacutehnout 6 V špička - špička Čiacutem je rozkmit toho napětiacute nižšiacute tiacutem lze
dosaacutehnout vyššiacute citlivosti detektoru (kap 35 Vyvažovaacuteniacute detektoru) Nuloveacuteho rozkmitu
nelze dosaacutehnout mimo jineacute kvůli vyacuterobniacutem toleranciacutem zařiacutezeniacute a nehomogenitaacutem Citlivost
elektronickyacutech čaacutestiacute je velmi vysokaacute a uplatňujiacute se rušiveacute vlivy při jejich činnosti (vliv
teploty mechanickeacute chvěniacute) Napětiacute Ub odpoviacutedaacute vyrovnaacutevaciacutemu proudu v Rx ciacutevkaacutech
Přiacuteklad jeho průběhu bez kontaminantu je na obr 37
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
23
Obr 37 Přiacuteklad průběhu napětiacute Ub
Napětiacute Ub je přivaacuteděno na dva samostatneacute elektronickeacute obvody (řiacutezeneacute usměrňovače)
ovlaacutedaneacute řiacutediacuteciacutemi napětiacutemi z mikrokontroleru (na Tx boardu) Dvě řiacutediacuteciacute napětiacute jednoho
usměrňovače jsou vůči sobě o π posunuty a zaacuteroveň jsou posunuty o π2 proti dvěma řiacutediacuteciacutem
napětiacutem druheacuteho usměrňovače Vyacutesledkem jsou dva napěťoveacute signaacutely (P a Q) ktereacute jsou daacutele
zpracovaacutevaacuteny (integrace zesiacuteleniacute) s možnostiacute ručniacute volby zesiacuteleniacute ve čtyřech stupniacutech
(ovlaacutedaacuteniacute citlivosti detektoru) Tyto signaacutely jsou již nositelem informace a jsou na Control
boardu převedeny do digitaacutelniacute podoby Takto upraveneacute signaacutely jsou vyhodnocovaacuteny
algoritmy v hlavniacutem mikrokontroleru
35 Vyvažovaacuteniacute detektoru Zaacutekladem kvalitniacute a stabilniacute detekce je ciacutevkovyacute systeacutem Aby se dosaacutehlo co nejlepšiacuteho
vyvaacuteženiacute ciacutevek je nutnaacute přesnaacute bytelnaacute a rozměrově staacutelaacute konstrukce Detektory společnosti
Loma Systems sro majiacute ciacutevky uloženeacute ve vyfreacutezovanyacutech draacutežkaacutech a zajištěneacute epoxidovyacutem
lepidlem I přes to je detektor po osazeniacute elektronikou značně nevyvaacuteženyacute balančniacute napětiacute Ub
překračuje požadovanou hodnotu 6 V špička - špička natolik že může dojiacutet i k saturaci
elektronickyacutech obvodů Je tedy nutneacute ciacutevkovyacute systeacutem vyvaacutežit (vybalancovat)
Nejprve se provede hrubeacute laděniacute spočiacutevajiacuteciacute v tvarovaacuteniacute maleacute smyčky Tx vinutiacute v čele
detektoru obr 38
0 T2 T
25 V Ub
-25 V
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
24
Obr 38 Vyvažovaciacute očko na Tx vinutiacute a vlepenyacute pliacutešek uvnitř detekčniacuteho otvoru
Tato smyčka plniacute funkci kompenzačniacuteho vinutiacute po natvarovaacuteniacute je očko zaliteacute epoxidovyacutem
lepidlem U detektorů s vnitřniacute uacutepravou detekčniacuteho otvoru modryacutem epoxidem se do
detekčniacuteho otvoru daacutele vlepujiacute vyvažovaciacute pliacutešky různyacutech tvarů a velikostiacute (od 1 cm2 do 4
cm2) obr 38 ktereacute se naacutesledně zalijiacute do roviny modryacutem epoxidem Jako materiaacutel
vyvažovaciacutech pliacutešků je použita nerezovaacute ocel ANSI 304 (DIN 14301) tloušťky 2 mm Druhyacute
typ detektorů s odolnyacutem plastovyacutem povrchem (typ US) neumožňuje vlepovaacuteniacute pliacutešků
dovnitř detekčniacuteho otvoru Balancovaacuteniacute se tedy provaacutediacute přesnějšiacutem tvarovaacuteniacutem Tx očka
popřiacutepadě vlepovaacuteniacutem pliacutešků v jeho okoliacute
Pro jemneacute doladěniacute se u obou těchto variant (US typ a klasickyacute s modrou epoxidovou
vyacuteplniacute detekčniacuteho otvoru) osazujiacute balančniacute moduly obr 39 ktereacute na plastoveacutem otočneacutem diacutelu
majiacute tuning block o rozměrech cca 05 cm2 z 5 mm tlusteacuteho nerezu Oba balančniacute moduly
umožňujiacute pohyb tuning blocku v okoliacute vyvažovaciacuteho očka
Obr 39 Balančniacute moduly i s kryciacutemi plechy vlevo US vpravo klasickyacute
Tyto moduly nejsou přiacuteliš efektivniacute a sloužiacute pouze k miacuterneacutemu vyvaacuteženiacute Použiacutevajiacute se dva typy
Tuning block
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
25
těchto modulů podle varianty vnitřniacute vyacuteplně detektoru (US typ a klasickyacute s modrou
epoxidovou vyacuteplniacute detekčniacuteho otvoru) Jedniacutem z přijatyacutech naacutevrhů pro vylepšeniacute detektorů s
modrou epoxidovou vyacuteplniacute je použitiacute stejneacuteho balančniacuteho modulu jako u detektoru typu US
Vyacuterobniacute cena US balančniacuteho modulu je podstatně nižšiacute a umožňuje změnu polohy
vyvažovaciacuteho diacutelu nejen po obvodu kružnice ale i změnu vzdaacutelenosti mezi rovinami očka a
tuning bloku Změna teacuteto vzdaacutelenosti se využije v přiacutepadě kdy po osazeniacute detektoru s modrou
epoxidovou pryskyřiciacute balančniacutem modulem dojde ke zhoršeniacute vyvaacuteženiacute ktereacute pouhyacutem
natočeniacutem po kružnici nelze vykompenzovat Použiacutevaacuteniacutem pouze balančniacuteho modulu typu
US by se dosaacutehlo sniacuteženiacute počtu součaacutestek ve vyacuterobniacutem procesu sniacuteženiacute naacutekladů na vyacuterobu
detektoru s modrou epoxidovou vyacuteplniacute detekčniacuteho prostoru a odstranil by se i probleacutem
vznikajiacuteciacute při osazeniacute těchto detektorů balančniacutemi moduly
Dalšiacute naacutevrh se tyacutekal materiaacutelu použiteacuteho na tuning block Snahou bylo zvyacutešit vliv
tuning bloku natolik aby bylo možneacute vynechat kompenzačniacute očko čiacutemž by došlo k urychleniacute
laděniacute Byly testovaacuteny materiaacutely FeNi47ln5 tloušťky 03 mm a FeNi42 tloušťky 04 mm Byl
zvolen tvar kteryacute umožňoval použitiacute staacutevajiacuteciacutech US modulů obr 310 Vliv tuning blocků
se sice zvyacutešil nicmeacuteně ne natolik aby mohlo byacutet vyvažovaciacute očko zcela vynechaacuteno
Obr 310 Prototypy tuning blocků z novyacutech materiaacutelů
36 Vyacutestupniacute kontrola Před samotnou expediciacute detektoru je nutneacute proveacutest kontrolu detekce Kvalita detekce
je ověřovaacutena třemi typy kontaminantů neželeznyacute - NONFE (mosaz) železnyacute - FE (chromovaacute
ocel) a nerezovyacute - SS (ANSI 304) K tomu jsou určeny přiacutepravky na obr 311 a 312 Jednaacute
se o kuličky definovanyacutech průměrů ktereacute jsou zaliteacute v plastovyacutech tyčinkaacutech opatřenyacutech
rozměrovou specifikaciacute kontaminantu Barva tyček odlišuje použityacute typ kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
26
Obr 311 Testovaciacute vzorky pro dopravniacutekoveacute detektory
Obr 312 Testovaciacute vzorky pro farmaceutickeacute detektory
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
27
4 Optimalizace a stiacuten ěniacute detektoru Jedniacutem z bodů teacuteto praacutece je navrženiacute optimalizaciacute průmysloveacuteho detektoru kovu z
hlediska kvality detekce a vyšetřeniacute elektromagnetickeacuteho pole s ohledem na rušiveacute vlivy Z
počaacutetku byly provaacuteděny pokusy se stiacuteněniacutem ciacutevek s ohledem na rušeniacute vnějšiacutem
elektromagnetickyacutem polem Prvniacute uacutevahy vedly k použitiacute stiacuteniacuteciacuteho materiaacutelu s velkou
permeabilitou kteryacute by do sebe soustředil většiacute množstviacute indukčniacutech čar unikajiacuteciacutech do okoliacute
a tiacutem omezil vnějšiacute rušeniacute Na zaacutekladě teacuteto uacutevahy byly testovaacuteny dva materiaacutely FeNi47ln5
tloušťky 03 mm a FeNi42 tloušťky 04 mm ktereacute mohou dosahovat relativniacute permeability až
micror_12106 [5] Těmito pokusy se sice sniacutežilo množstviacute indukčniacutech čar magnetickeacuteho pole
unikajiacuteciacuteho z detektoru ale vlivem přiacuteliš velkeacute permeability bylo ovlivněno i pole uvnitř
detekčniacuteho prostoru kde došlo ke sniacuteženiacute citlivosti Tento naacutevrh měl dalšiacute negativniacute faktory
jako je vysokaacute cena použityacutech materiaacutelů a omezeneacute vyacuterobniacute možnosti nedostačujiacuteciacute šiacuteřkou
paacutesů což by vedlo ke sklaacutedaacuteniacute plechů vedle sebe a tiacutem ke vzniku nehomogenit
Aby byly optimalizace efektivniacute je třeba znaacutet rozloženiacute elektromagnetickeacuteho pole
uvnitř detektoru a vlivy ktereacute na něj působiacute Proto bylo přistoupeno k využitiacute počiacutetačoveacuteho
softwaru Ansys Jednaacute se o profesionaacutelniacute software založenyacute na metodě konečnyacutech prvků Je
určen předevšiacutem pro simulace mechanickeacuteho namaacutehaacuteniacute ale umožňuje i řešeniacute teplotniacutech
elektromagnetickyacutech a sdruženyacutech poliacute [6] Ansys byl vybraacuten předevšiacutem pro možnost řešeniacute i
3D probleacutemů V teacuteto praacuteci bylo z důvodů vyacutepočetniacute naacuteročnosti a velkeacuteho množstviacute
jednotlivyacutech vyacutepočtů přistoupeno k řešeniacute probleacutemu pouze ve dvourozměrneacutem prostoru V
tomto přiacutepadě je řešeno nestacionaacuterniacute magnetickeacute pole ktereacute popisuje rovnice (41) [7]
( ) extr JArotdt
dABArotrot =timesminus+
minus γυγmicro1
(41)
kde
BArot = (42)
A magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel
micro permeabilita
Br remanentniacute indukce
B magnetickaacute indukce
γ měrnaacute elektrickaacute vodivost
ν rychlost pohybu tělesa v magnetickeacutem poli
Jext vektor vnějšiacute proudoveacute hustoty
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
28
41 Vyšet řovaacuteniacute vlivu pozice Rx vinutiacute Nejprve byly provedeny simulace staacutevajiacuteciacuteho zařiacutezeniacute o rozměrech detekčniacuteho otvoru
150 mm x 350 mm Zaacutekladniacute geometrie probleacutemu je na obraacutezku 41 Pro řešeniacute zaacutekladniacuteho
probleacutemu by bylo možneacute použiacutet symetrii modelu pokud však model doplniacuteme o kontaminant
možnost teacuteto symetrie odpadaacute Byly provedeny tři seacuterie vyacutepočtů ktereacute se lišily materiaacutelem
kontaminantu Každaacute seacuterie se sklaacutedala z 24 samostatnyacutech vyacutepočtů ve kteryacutech se postupně
měnila pozice kontaminantu tak jako je tomu při skutečneacute situaci na dopravniacutem paacutesu
Použityacutem APDL skriptem by bylo možneacute řešit i průchody kontaminantu v různyacutech vyacuteškaacutech
detekčniacuteho otvoru Pro potřeby těchto vyacutepočtů byl průchod zvolen středem jelikož je zde
citlivost detektoru nejnižšiacute Nutno poukaacutezat na skutečnost že kontaminant reprezentovanyacute
kružniciacute v řezu detektoru nelze považovat za kulovyacute nyacutebrž za vodič kruhoveacuteho průřezu
stejneacute deacutelky jako Tx respektive Rx vinutiacute Rozmeziacute pohybu kontaminantu bylo od -230 mm
do 230 mm vůči Tx vinutiacute s krokem 20 mm Obdeacutelniacuteky v okoliacute Tx vinutiacute byly vytvořeny za
uacutečelem možnosti zjemněniacute vyacutepočetniacute siacutetě v prostoru Tx a Rx vinutiacute Na obraacutezku 41 nejsou
namodelovaacuteny Rx ciacutevky neboť hodnota naindukovaneacuteho napětiacute byla ziacuteskaacutevaacutena v pěti
různyacutech vyacuteškovyacutech poziciacutech a bylo hodnoceno indukovaneacute napětiacute Ui
Obr 41 Zaacutekladniacute geometrie
nerezovyacute kryt
vodiče Tx vinutiacute
kontaminant
obdeacutelniacuteky vzduchoveacuteho okoliacute s jemnějšiacute vyacutepočetniacute siacutetiacute střed souřadneacuteho
systeacutemu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
29
411 Preprocessing - p řiacuteprava skriptu Nejprve bylo nutneacute zjistit geometrickeacute rozměry a materiaacuteloveacute konstanty zkoumaneacuteho
detektoru Geometrickeacute rozměry byly ziacuteskaacuteny z databaacuteze Solidworks modelů společnosti
Loma Systems sro V kapitole 71 je uacuteryvek APDL skriptu pro tvorbu geometrie
Materiaacutely použiteacute v modelu jsou vzduch vodiče Tx vinutiacute nerezovyacute obal detektoru a
materiaacutely kontaminantů V raacutemci zjednodušeniacute modelu nebyly uvažovaacuteny PVC izolace Tx
vinutiacute samotneacute Tufneloveacute jaacutedro a materiaacutel s niacutemž je prostor mezi jaacutedrem a nerezovyacutem
krytem vyplněn neboť tyto materiaacutely vykazujiacute z pohledu šiacuteřeniacute elektromagnetickeacuteho pole
stejneacute vlastnosti jako vzduch Konkreacutetniacute hodnoty materiaacutelovyacutech konstant viz tabulka 41
odpor Tx vinutiacute nebyl uvažovaacuten neboť jeho plochy byly zatiacuteženy definovanou proudovou
hustotou tudiacutež neniacute možneacute uvažovat přiacutepadně naindukovaneacute viacuteřiveacute proudy Daacutele bylo nutneacute
zvolit a spraacutevně nastavit použiteacute elementy modelu
Tab 41 Materiaacuteloveacute vlastnosti
měrnaacute
permeabilita [-] měrnyacute elektrickyacute
odpor [Ωm]
vzduch 1 -
Tx vinutiacute 1 -
nerezovaacute ocel (ANSI 304 DIN 14301)
1008 [10] 72010-7
neželeznyacute kontaminant (mosaz)
1 75010-8
železnyacute kontaminant (chromovaacute ocel)
400 12010-7
nerezovyacute kontaminant (ANSI 304 DIN 14301) 1008 72010-7
Jako elementy daneacuteho modelu byly zvoleny elementy PLANE53 určeneacute pro řešeniacute
magnetickeacuteho pole Jednaacute se o osmi uzloveacute elementy ktereacute mohou miacutet až čtyři stupně
volnosti na uzel Stupně volnosti mohou byacutet magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel (AZ) časově
integrovanyacute elektrickyacute skalaacuterniacute potenciaacutel (VOLT) elektrickyacute proud (CURR) a
elektromotorickaacute siacutela (EMF) [6] Geometrie elementu na obr 42
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
30
Obr 42 Geometrie elementu PLANE53 [6]
Uacuteryvek koacutedu v kapitole 72 obsahuje definovaacuteniacute materiaacutelovyacutech vlastnostiacute definovaacuteniacute
elementů a jejich nastaveniacute V dalšiacute časti bylo nutneacute jednotliveacute materiaacutely a elementy přiřadit
danyacutem plochaacutem
Daacutele bylo zapotřebiacute nastavit atributy pro automatickeacute siacuteťovaacuteniacute oblasti Je nutneacute aby v
tenkyacutech a malyacutech plochaacutech byla vyššiacute hustota siacutetě než na velkyacutech plochaacutech kde postačuje siacuteť
řidšiacute Velmi důležitaacute je kompatibilita siacutetě proto byla v okoliacute Tx vodičů vytvořena
obdeacutelniacutekovaacute oblast s hustšiacute siacutetiacute viz uacuteryvek koacutedu v přiacuteloze 73
Obr 43 Detailniacute pohled na siacuteť elementů
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
31
V posledniacute čaacutesti preprocessingu byla definovaacutena Dirichletova okrajovaacute podmiacutenka
udaacutevajiacuteciacute magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel roven nule na vnějšiacute hrany vzduchoveacuteho okoliacute a
průběh budiacuteciacute proudoveacute hustoty v Tx vodičiacutech V horniacutem a dolniacutem vodiči měly toky opačnyacute
smysl proto bylo nutneacute vytvořit dva vektory hodnot J1 (obr 44) a mJ1 V posledniacute řadě bylo
provedeno přiřazeniacute průběhů k plochaacutem viz kapitola 74
Obr 44 Průběh proudoveacute hustoty v ploše Tx vodiče
Ansys byl do Solution modu přepnut přiacutekazem SOL kde se provedlo nastaveniacute
analyacutezy a byl spuštěn vyacutepočet viz kapitola 76
412 Postprocessing - ziacuteskaacutevaacuteniacute vyacutesledk ů Ciacutelem teacuteto čaacutesti bylo zjištěniacute průběhů naindukovanyacutech napětiacute Ui v zaacutevislosti na čase
pro různeacute vyacuteškoveacute pozice přijiacutemaciacutech ciacutevek Rx Pro indukovaneacute napětiacute platiacute vztah
( )Vndt
dU i sdotΦminus= (43)
kde
( )TdxBlx
x
Yint sdotsdot=Φ2
1
(44)
n počet zaacutevitů Rx vinutiacute
l deacutelka Rx vinutiacute ve směru osy Z
x1 a x2 šiacuteřka Rx vinutiacute ve směru osy X
BY složka magnetickeacute indukce v ose Y
Zadaacuteniacutem souřadnic dvou bodů se nadefinovala uacutesečka (cesta) na kterou byly s určityacutem
J (Am-2)
kroky vyacutepočtu (-)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
32
krokem zaznamenaacuteny hodnoty magnetickeacute indukce BY Průběh BY v zaacutevislosti na souřadnici X
je na obr 45
Obr 45 Průběh magnetickeacute indukce BY v zaacutevislosti na souřadnici X
Obr 46 Průběh magnetickeacuteho toku Φ v zaacutevislosti na souřadnici X
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
33
Integrovaacuteniacutem průběhu BY se ziacuteskal průběh magnetickeacuteho indukčniacuteho toku Φ obr 46
Magnetickyacute indukčniacute tok Φ je roven určiteacutemu integraacutelu (rovnice 44) průběhu BY obr 45 Z
toho vyplyacutevaacute že magnetickyacute indukčniacute tok je roven posledniacute hodnotě průběhu na obr 46
Tato hodnota se vynaacutesobila deacutelkou Rx vinutiacute Postup vyacutepočtu se opakoval pro všechny pozice
Rx vinutiacute a to v každeacutem kroku transientniacute analyacutezy Tiacutem se ziacuteskala zaacutevislost magnetickeacuteho
indukčniacuteho toku Φ na čase t V programu MS Excel se vynaacutesobil tok počtem zaacutevitů Rx vinutiacute
a byla provedena derivace podle času (rovnice 43) Takto byly zpracovaacuteny vyacutesledky pro
všechny pozice kontaminantu vůči Tx vinutiacute APDL skript pro ziacuteskaacutevaacuteniacute hodnot viz kapitola
76 a v kapitole 77 je vyacutepis makra ktereacute uklaacutedaacute hodnoty do souboru
413 Hodnoceniacute vyacutesledk ů Vypočteneacute hodnoty Ui ve všech pěti vyacuteškovyacutech poziciacutech hrx byly vyneseny do grafů v
zaacutevislosti na čase Pokud se vynesou do jednoho grafu průběhy indukovanyacutech napětiacute pro
každou pozici kontaminantu v daneacute vyacutešce lze sledovat odezvu indukovaneacuteho napětiacute na
polohu kontaminantu Jelikož byly provedeny tři seacuterie vyacutepočtů s různyacutemi kontaminanty lze
porovnat i tvary přijiacutemanyacutech signaacutelu pro jednotliveacute materiaacutely Ciacutelem teacuteto čaacutesti je porovnat
signaacutely ziacuteskaacutevaneacute v různyacutech vyacuteškovyacutech polohaacutech Rx vinutiacute a vybrat nejvhodnějšiacute signaacutel pro
detekci
Na naacutesledujiacuteciacutech grafech jsou znaacutezorněny napěťoveacute průběhy během jedneacute periody v
zaacutevislosti na poloze kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
34
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 47 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 48 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
35
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 49 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 410 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
36
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 411 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 5)
Na obraacutezciacutech 47 až 411 jsou zobrazeny průběhy odpoviacutedajiacuteciacute průchodu železneacuteho
kontaminantu s relativniacute permeablitou 400 a měrnyacutem elektrickyacutem odporem 10210-7 Ωm Na
průběziacutech 47 48 a 411 lze pozorovat sice nižšiacute hodnotu signaacutelu ale celkovaacute deformace
během průchodu kontaminantu je většiacute
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 412 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
37
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 413 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 414 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
38
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 415 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 416 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce5)
Na obraacutezciacutech 412 až 416 jsou zobrazeneacute průběhy odpoviacutedajiacuteciacute průchodu kontaminantu z
nerezu ANSI 304 s relativniacute permeablitou 1008 a měrnyacutem elektrickyacutem odporem 7210-7
Ωm Při porovnaacuteniacute s předchoziacutem kontaminantem je změna signaacutelu nižšiacute což odpoviacutedaacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
39
předpokladům o obtiacutežnějšiacute detekci nerezovyacutech kontaminantů
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 417 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 418 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
40
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 419 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 420 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
41
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 421 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 5)
Na obraacutezciacutech 417 až 421 jsou zobrazeny průběhy odpoviacutedajiacuteciacute neželezneacutemu
kontaminantu (mědi) s parametry relativniacute permeablita 1 a měrnyacute elektrickyacute odpor 7510-8
Ωm Průběh signaacutelu je velmi podobnyacute signaacutelům nerezoveacuteho kontaminantu
Porovnaacuteniacutem všech grafů (obr 47 - obr 422) je obecně vidět že u průběhů ve vyacutešce
3 a 4 je zisk signaacutelu pro všechny modelovaneacute kontaminanty největšiacute Dochaacuteziacute zde ale ke
změně amplitudy pouze v jednom smyslu což z hlediska vyhodnocovaciacutech algoritmů zlepšeniacute
detekce vylučuje Naproti tomu je u signaacutelu ve vyacutešce 5 znatelně vyššiacute amplituda než v
použiacutevaneacute vyacutešce 2 Na zaacutekladě tohoto zjištěniacute bude zhotoven prototyp detektoru za uacutečelem
ověřeniacute teoretickyacutech vyacutesledků
Na obraacutezku 422 je ukaacutezka grafickeacuteho vyacutestupu zobrazujiacuteciacuteho vektory proudoveacute
hustoty naindukovaneacute v nerezoveacutem krytu a v kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
42
Obr 422 Vektory proudovyacutech hustot naindukovanyacutech do kontaminantu a nerezoveacuteho krytu
Obraacutezek 423 zobrazuje kontury magnetickeacuteho pole ve stejneacutem časoveacutem kroku jako obr
422 Pole ktereacute je konturami zobrazeno je tvořeno praacutevě proudovou hustotou obr 422 Je
zde možneacute pozorovat jak se pole deformuje přiacutetomnyacutem kontaminantem
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
43
Obr 423 Kontury magnetickeacuteho vektoroveacuteho potenciaacutelu s viditelnou deformaciacute pole způsobenou
feromagnetickyacutem kontaminantem
42 Vyšet řovaacuteniacute množstviacute vyza řovaneacute energie V teacuteto čaacutesti se vychaacutezelo z předpokladu že intenzita elektromagnetickeacuteho pole uvnitř
detektoru je mnohem většiacute než elektromagnetickyacute šum kteryacute do detektoru vnikaacute z okoliacute
Proto lze předpoklaacutedat že rušeniacute bude způsobeno předevšiacutem deformaciacute vlastniacuteho
vyzařovaneacuteho pole v bliacutezkeacutem okoliacute detektoru To vede ke snaze snižovat množstviacute vlastniacuteho
vyzaacuteřeneacuteho pole ven z detektoru aby nemohlo byacutet deformovaacuteno okolniacutemi předměty
421 Řešeniacute probleacutemu Bylo porovnaacuteno pět variant detektorů bez průchodu kontaminantu Každaacute varianta se
řešila jedniacutem vyacutepočtem z čehož plyne malaacute časovaacute naacuteročnost a proto byly probleacutemy řešeny
bez využitiacute symetrie Prvniacute byl staacutevajiacuteciacute detektor o tloušťce kryciacuteho nerezoveacuteho plechu 3 mm
druhyacute byl stejneacute geometrie ale za použitiacute silnějšiacuteho 5 mm tlusteacuteho nerezu Třetiacute typ měl
tloušťku 3 mm ale na horniacute a dolniacute stěně bylo přidaacuteno dalšiacute stiacuteněniacute z nerezu ve tvaru T (obr
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
44
426) Posledniacute dva naacutevrhy měly pravouacutehlyacute tvar krytu celkově menšiacutech rozměrů z nichž jeden
byl jednoduchyacute o tloušťce 3 mm (obr 427) a druhyacute měl shora a zdola dvojiteacute dno z nerezu
tloušťky 3 mm (obr_428) Touto metodou by se dalo porovnaacutevat mnohem většiacute množstviacute
provedeniacute ktereacute by se mohly lišit i použityacutem materiaacutelem Vzduchoveacute okoliacute detektoru bylo
rozděleno na čtyři sektory v nichž se sečetly hodnoty magnetickeacute energie jednotlivyacutech
elementů v každeacutem kroku analyacutezy a tiacutem se ziacuteskal průběh množstviacute energie v daneacutem prostoru
na čase Objemovaacute hustota magnetickeacute energie byla zjišťovaacutena ve všech plochaacutech daneacute
geometrie a bylo možno sledovat jak se energie v čase přemisťuje
Obr 424 Geometrie varianty 3 mm
Obr 425 Geometrie varianty 5 mm
Obr 426 Geometrie varianty 3 mm-stineni
Obr 427 Geometrie varianty novy 1
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
45
Obr 428 Geometrie varianty novy 2
Přiacuteprava skriptů se od předchoziacutech vyacutepočtů lišila pouze v geometrii jinak byla
principiaacutelně stejnaacute Rozdiacutel byl však v čaacutesti post-processingu (ziacuteskaacutevaacuteniacute vyacutesledků) Aby bylo
možno přistupovat k jednotlivyacutem sektorům musel byacutet každyacute sektor definovaacuten vlastniacutem typem
elementů (elementy byly použity stejneacute jednaacute se pouze o čiacuteslovaacuteniacute) Byly použity osmkraacutet
elementy PLANE53
ET153 Tx vinuti ET253 prostor uvnitr detektoru ET353 nerezovy obal ET453 detekcni prostor ET553 vzduchove okoli - horni ET653 vzduchove okoli - pravy ET753 vzduchove okoli - dolni ET853 vzduchove okoli - levy
Přiacuteklad načiacutetaacuteniacute vyacutesledků pro jeden typ elementů
POST1 prepnutiacute do postprocesoru allsel oznaceni vsech elementu vytvoreni pole pro ukadani hodnot DIMenergie1TABLEkroku11timeE zapsani nulovych hodnot na zacatek vektoru vysledku energie1(00)=0 energie1(01)=0 cyklus ve kterem se nacitaji vysledky jednotlivych kroku simulace doi1kroku1 APPEND 1 i nacteni daneho kroku eseltype1 vybrani elementu typu 1 GET e_count1 ELEM count vraci mnozstvi elementu daneho typu GET e_next ELEM 0 NXTH vraci nejnizsi adresu elementu daneho typu v promenne e_next energ1=0 vynulovani promenne cyklus ktery postupne prochazi vsechy elementy daneho typu doj1e_count11 GET e_energ1 ELEM e_next SENE ulozi do promene e_energ1 mnozstvi energie v elementu s adresou e_next
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
46
GET e_next ELEM e_next NXTH posune adresu elementu o jedna energ1=energ1+e_energ1 pricte mnozstvi energie e_energ1 do kumulativni promnenne energ1 enddo konec vnitrniho cyklu energie1(i0)=i zapise do pole vysledku cislu jirju simulace energie1(i1)=energ1 zapise do pole vysledku mnozstvi energie v cele plose s elementy daneho typu enddo konec vnejsiho cyklu zapis_energ zavolani makra pro zapis vysledku do souboru
422 Hodnoceniacute vyacutesledk ů V jednotlivyacutech sektorech se provedla suma magnetickeacute energie pro každyacute krok
simulace Vyacutesledkem jsou průběhy množstviacute energie v daneacute ploše v zaacutevislosti na krociacutech
simulace (čase) Jednotliveacute varianty byly hodnoceny na zaacutekladě porovnaacuteniacute průběhů se
staacutevajiacuteciacutem detektorem
Energie v Tx vinutiacute
000E+00
100E-03
200E-03
300E-03
400E-03
500E-03
600E-03
700E-03
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 429 Energie v Tx vinutiacute
Na grafu (obr 429) je vidět že množstviacute energie v Tx vinutiacute neniacute zaacutevisleacute na geometrii a je
daacuteno budiacuteciacutem signaacutelem v Tx vinutiacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
47
Energie unit ř detektoru
000E+00
200E-02
400E-02
600E-02
800E-02
100E-01
120E-01
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 430 Energie uvnitř detektoru
Na obr 430 je znaacutezorněno množstviacute energie v prostoru detektoru do ktereacuteho neniacute
započiacutetaacutena detekčniacute oblast ta je zobrazena na obr 432 V teacuteto čaacutesti neniacute pozorovaacutena žaacutednaacute
vyacuteraznaacute změna
Energie v nerezoveacutem obalu
000E+00
500E-05
100E-04
150E-04
200E-04
250E-04
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 431 Energie v nerezoveacutem obalu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
48
Vyacuteraznějšiacute změny se odehraacutevajiacute v nerezoveacutem obalu Nejmenšiacute množstviacute energie je v klasickeacute
3 mm tlusteacute a v 5 mm tlusteacute variantě U klasickeacute varianty se stiacuteněniacutem a u novyacutech naacutevrhů je
naacuterůst způsoben přibliacuteženiacutem nerezu k Tx vinutiacute
Energie v prostoru detek čniacuteho otvoru
000E+00
500E-03
100E-02
150E-02
200E-02
250E-02
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 432 Energie v prostoru detekčniacuteho otvoru
V oblasti detekčniacuteho otvoru je snaha o uchovaacuteniacute co největšiacuteho množstviacute energie neboť
zmenšeniacute energie vede ke sniacuteženiacute odezvy na kontaminant tedy ke sniacuteženiacute citlivosti detektoru
Z obr 432 je patrneacute že geometrickeacute uacutepravy detektoru (3 mm se stiacuteněniacutem novy 1 a novy 2)
vedou ke sniacuteženiacute množstviacute energie v tomto prostoru
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
49
Energie v horniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
100E-07
200E-07
300E-07
400E-07
500E-07
600E-07
700E-07
800E-07
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 433 Energie v horniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Energie v dolniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
100E-07
200E-07
300E-07
400E-07
500E-07
600E-07
700E-07
800E-07
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 434 Energie v dolniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Porovnajiacute-li se obr 433 a 434 je u variant 1 - 3 možneacute pozorovat rozdiacutely mezi horniacute a dolniacute
plochou Je zde na prvniacute pohled vidět jak horniacute oblouk snižuje množstviacute energie unikajiacuteciacute do
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
50
okoliacute Jako uacutečinneacute se z pohledu těchto sektorů jeviacute varianta klasickeacuteho detektoru se stiacuteněniacutem a
novyacute naacutevrh s dvojityacutemi stěnami
Energie v praveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
500E-06
100E-05
150E-05
200E-05
250E-05
300E-05
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 435 Energie v praveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Energie v leveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
500E-06
100E-05
150E-05
200E-05
250E-05
300E-05
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 436 Energie v leveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
51
Pravyacute a levyacute sektor je z důvodů symetrie stejnyacute na obrazciacutech 435 a 436 lze pozorovat tzv
metal free zoacutenu kteraacute se u detektorů udaacutevaacute Jednaacute se o prostor před a za detekčniacutem otvorem
ve ktereacutem se nesmiacute nachaacutezet žaacutednyacute kovovyacute materiaacutel (z důvodu ovlivňovaacuteniacute pole) snahou je
tuto zoacutenu co nejviacutece zmenšit Z grafů je patrneacute že novyacute naacutevrh s dvojityacutemi stěnami vykazuje
nejmenšiacute množstviacute energie v teacuteto oblasti Naopak u klasickeacute varianty se stiacuteněniacutem došlo k
vytlačeniacute pole z vnitřku detektoru praacutevě do těchto okolniacutech zoacuten
Na zaacutekladě těchto poznatků bude provedeno ověřeniacute na skutečnyacutech zařiacutezeniacutech Mezi
použitelneacute varianty připadaacute klasickaacute konstrukce doplněnaacute o stiacuteněniacute a novyacute naacutevrh s dvojityacutemi
stěnami U toho je však velkaacute hrozba sniacuteženiacute citlivosti způsobeneacute menšiacutem množstviacutem energie
v detekčniacutem prostoru
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
52
5 Zaacutevěr Ciacutelem předklaacutedaneacute praacutece je zlepšeniacute činnosti detektorů kovů přiacutepadně uacuteprava
technologie vyacuteroby při současneacutem sniacuteženiacute vyacuterobniacutech naacutekladů Předpokladem uacutespěšnyacutech
naacutevrhů byla podrobnaacute studie činnosti a principu těchto zařiacutezeniacute kteraacute jsou vyacuterobcem po
několik let uacutespěšně prodaacutevaacutena na světovyacutech trziacutech
Na zaacutekladě těchto požadavků byly provedeny některeacute testy ktereacute měly ověřit
předpoklaacutedanaacute zlepšeniacute Nejširšiacute možnosti přinaacutešiacute modelovaacuteniacute magnetickeacuteho pole
průmyslovyacutech detektorů počiacutetačovou simulaciacute kteraacute je zatiacutem schopna řešit zadaneacute probleacutemy
v dvourozměrneacutem prostoru Nejčastěji řešeneacute probleacutemy jsou staacutele spojeny se zaacutekladniacutem
principem činnosti těchto zařiacutezeniacute tj vlivem a působeniacutem kontaminantu na
elektromagnetickeacute pole buzeneacute ciacutevkami uvnitř detektoru a nepřiacuteznivyacute vliv vnějšiacutech rušivyacutech
poliacute např při současneacute činnosti sousedniacutech detektorů Dalšiacutem zdrojem rušivyacutech magnetickyacutech
poliacute může byacutet i činnost a přiacutetomnost různyacutech elektrickyacutech zařiacutezeniacute probleacutem spojenyacute s
vhodnyacutem materiaacutelem a tvarem stiacuteněniacute těchto zařiacutezeniacute
Vzhledem k maximaacutelniacute citlivosti elektronickyacutech obvodů a požadovaneacute pečlivosti při
balancovaacuteniacute (vyvažovaacuteniacute) se vyskytuje probleacutem kteryacute souvisiacute se staacutelostiacute nastaveniacute detektoru
při mechanickeacutem otřesu přiacutepadně odstraněniacute změn ke kteryacutem dochaacuteziacute vlivem dopravy
Dalšiacutem plaacutenovanyacutem krokem je namodelovaacuteniacute probleacutemu v trojrozměrneacutem prostoru od
ktereacuteho je očekaacutevaacuteno zohledněniacute dalšiacutech vlivů a tiacutem zpřesněniacute samotneacuteho vyacutesledku
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
53
6 Použitaacute literatura [1] Internetoveacute straacutenky společnosti Loma Systems sro
httpwwwlomacom_czindexshtml
[2] Haacutejek J Jarchovskyacute Z Detektory kovů - naacutevod na stavbu nakladatelstviacute BEN Praha
2010
[3] Beneda L Detektory kovů bakalaacuteřskaacute praacutece ZČU Plzeň 2010
[4] Internetoveacute straacutenky společnosti Ad controls sro
httpwwwadcontrolsczdetektory_kovu_zakladni_pojmy
[5] KOVOHUTĚ ROKYCANY as COMTES FHT as MATEX sro Průběžnaacute
zpraacuteva k projektu FeNi - čj 1021207 - 32 za rok (2007 - 2009)
[6] Ansys Inc ANSYS HELP Release 130 Dokumentace k programu
[7] Karban P a kolektiv autorů Aplikace teoretickeacute elektrotechniky Skripta ZČU Plzeň
2011
[8] Benešovaacute Z Ulrych B Přiacuteručka pro použitiacute programů ve vyacuteuce teorie
elektromagnetickeacuteho pole Skripta ZČU Plzeň 1997
[9] Loma Systems sro Knowledge Base - Interniacute dokumentace společnosti
[10] Internetoveacute straacutenky společnosti Aerospace specification metals Inc
httpasmmatwebcomsearchSpecificMaterialaspbassnum=MQ304A
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
1
7 Přiacutelohy
71 Tvorba geometrie PREP7 prepnuti do rezimu preprocesingu jj=8 index polohy kontaminantu r1=05e-3 polomer Tx vodice 05 mm r2=15e-3 polomer kontaminantu 15 mm c=90e-3 sirka Rx civek h=1767e-3 vzdalenost mezi Tx vinutim hrx=(h2)+526e-3 zakladni vyskova poloha mezi Rx civkami hss=175e-3 vyska nerezoveho krytu wss=150e-3 sirka nerezoveho krytu tss=3e-3 tloustka nerezove steny hd=h-227e-3 vyska detekcniho otvoru wok=1000e-3 sirka vzduchoveho okoli hok=1000e-3 vyska vzduchoveho okoli wkon=(-250e-3)+(jj20e-3) poloha kontaminantu na ose X tvorba geometrickych bodu nerezoveho krytu K1022589e-30 K2022185e-30 K3-7907e-321208e-30 K4-78e-32085e-30 K57907e-321208e-30 K678e-32085e-30 K7-wsshss0 K8-wss+tsshss-tss0 K9wsshss0 K10wss-tsshss-tss0 K11-wss-hss0 K12-wss+tss-hss+tss0 K13wss-hss0 K14wss-tss-hss+tss0 vytvoreni ploch definovanymi body FLST273 FITEM27 FITEM23 FITEM21 FITEM25 FITEM29 FITEM213 FITEM211 AP51X FLST273 FITEM28 FITEM24 FITEM22 FITEM26 FITEM210 FITEM214 FITEM212 AP51X CYL40h2r1 plocha horniho Tx vodice CYL40-h2r1 ploch dolniho Tx vodice BLC50((h2)+hrx)2100e-310e-3 plocha horniho vzduchoveho okoli Tx vodice BLC50-((h2)+hrx)2100e-310e-3 plocha dolniho vzduchoveho okoli Tx vodice BLC5002wsshd plocha detekcniho ootvoru APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch odstraneni ploch ktere budou sjednoceny se vzduchovym okolim
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
2
FLST255ORDE4 FITEM210 FITEM2-12 FITEM215 FITEM218 ADELEP51X BLC500wokhok vytvoreni plochy vzduchoveho okoli APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch CYL4wkon0r2 vytvoreni plochy kontaminantu APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch konec tvorby geometrickeho modelu
72 Definice element ů materiaacutel ů a jejich p řiřazeniacute k plochaacutem definovani materialu MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX11 material 1 Tx permeabilita 1 MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX21 material 2 Air permeabilita 1 MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX31008 material 3 nerezovy kryt SS ANSI 304 permeabilita MPTEMP MPTEMP10 MPDATARSVX372e-7 material 3 nerezoovy kryt SS Ansi 304 rezistivita MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX4400 material 4 Kontaminant permeabilita MPTEMP MPTEMP10 MPDATARSVX4102e-7 material 4 Kontaminant rezistivita definovani elementu ET153 Tx civky ET253 Vzduch ET353 nerezovy kryt ET453 kontaminant nastaveni elementu KEYOPT110 Tx civky KEYOPT120 KEYOPT130 KEYOPT140 KEYOPT150 KEYOPT170 KEYOPT210 Air KEYOPT220 KEYOPT230 KEYOPT240 KEYOPT250 KEYOPT270 KEYOPT310 SS KEYOPT320 KEYOPT330 KEYOPT340 KEYOPT350
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
3
KEYOPT370 KEYOPT410 kontaminant KEYOPT420 KEYOPT430 KEYOPT440 KEYOPT450 KEYOPT470 prirazeni elementu a materialum k plocham FLST525ORDE2 Tx FITEM58 FITEM5-9 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 1 1 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 FLST535ORDE3 Air FITEM53 FITEM516 FITEM5-17 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 2 2 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 FLST525ORDE2 SS FITEM513 FITEM5-14 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 3 3 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 CM_YAREA kontaminant ASEL 1 CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 4 4 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
4
73 Siacuteťovaacuteniacute oblastiacute FLST275ORDE7 FITEM21 FITEM28 FITEM2-9 FITEM213 FITEM2-14 FITEM216 FITEM2-17 AESIZEP51X00005 nastaveni delky steny elementu 00005 m FLST215ORDE1 FITEM23 AESIZEP51X001 nastaveni delky steny elementu 001 m MSHAPE12D nastaveni 2D trojuhelnikove site MSHKEY0 FLST585ORDE8 FITEM51 FITEM53 FITEM58 FITEM5-9 FITEM513 FITEM5-14 FITEM516 FITEM5-17 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CHKMSHAREA CMSELS_Y AMESH_Y1 spusteni automatickeho sitovani CMDELE_Y CMDELE_Y1 CMDELE_Y2
74 Okrajovaacute podmiacutenka a nastaveniacute budiciacuteho pr ůběhu okrajova podminka FLST244ORDE4 FITEM214 FITEM212 FITEM27 FITEM25 DLP51X AZ0 nastaveni zatizeni parametry budici proudove hustoty f=35e3 frekvence signalu [Hz] part=600 pocet kroku signalu T_min=0 pocatek casove osy T_max=1f konec casove osy dt=T_maxpart casovy krok parametry prudove hustoty pi=4atan(1) s=pir12 I=600sqrt(2) N1=1 J1_a=IN1s definovani vzestupne casti pulsu tau=3 DIMJexTABLE5011timeJ Jex(11)=0
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
5
Jex(10)=0 doi2501 Jex(i1)=(J1_a)(1-exp(-itau)) Jex(i0)=(i) enddo definovani sestupne casti pulsu tau=3 DIMJex1TABLE5011timeJ Jex1(11)=J1_a Jex1(10)=0 doi2501 Jex1(i1)=(J1_a)(exp(-itau)) Jex1(i0)=(i) enddo sestaveni celeho pulsu DIMJex2TABLE10011timeJ Jex2(11)=0 Jex2(10)=0 doi2501 Jex2(i1)=Jex(i1) Jex2(i0)=(i) enddo doi511001 Jex2(i1)=Jex1(i-501) Jex2(i0)=(i) enddo priprava nulovych vektoru kladneho a zaporneho prubehu J DIMJ1TABLE60011timeJ DIMmJ1TABLE60011timeJ doi16001 J1(i0)=(i-1)dt time J1(i1)=0 J mJ1(i0)=(i-1)dt time mJ1(i1)=0 -J enddo vlozeni prvniho pulsu doi11001 J1(i1)=Jex2(i1) mJ1(i1)=-Jex2(i1) enddo vlozeni druheho pulsu doi3004001 J1(i1)=-Jex2(i-3001) mJ1(i1)=Jex2(i-3001) enddo prirazeni prubehu k plocham PREP7 FLST215ORDE1 FITEM28 BFAP51XJSJ1 FLST215ORDE1 FITEM29 BFAP51XJSmJ1
75 Nastaveniacute analyacutezy SOL prepnuti do Solution modu - nastaveni analyzy kroku=300 pocet kroku simulace ANTYPE4 TRNOPTFULL
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
6
NSUBSTkroku00 OUTRESERASE OUTRESALL1 TIMET_max solve spusti vypocet ulohy
76 Postprocessing POST1 prepne do Preprocesing modu krokyb=200 pocet kroku na delku coilgapu L=03 delka Rx snimace hrx1=(h2)+10e-3 jednotlive vyskove pozice Rx vinuti hrx2=(h2)+526e-3 hrx3=(h2) hrx4=((h2)-526e-3) hrx5=((h2)-10e-3) vytvoreni pole hodnot - 10 sloupcu x 300 radku sloupce odpovidaji poctu jednotlivych civek 2x5 (5 poloh horni a dolni civka) DIMTOKTABLEkroku101SUBSTEP TOK(00)=0 TOK(01)=0 TOK(02)=0 TOK(03)=0 TOK(04)=0 TOK(05)=0 TOK(06)=0 TOK(07)=0 TOK(08)=0 TOK(09)=0 TOK(010)=0 dok1kroku1 hlavni cyklus pocet cyklu odpovida poctu kroku analyzy APPEND 1 k nacteni k-teho kroku analyzy tato cast kodu je nutna pro kazdou civku zvlast (10x se opakuje) PATHHORNI26krokyb-1 definovani cesty horni civky PPATH10-c2hrx10 levy koncovy bod PPATH20c2hrx10 pravy koncovy bod PDEF BYAVG namapovani Y-slozky magneticke indukce B PCALCINTGINT_HORBYXGL vypocet integralu z By podle dX PBCPATH 0 PAGETHORNI1_TABL ulozeni hodnot ziskanych na definovane ceste do pole HORNI1_ PADELALL smazani cesty i s hodnotamy (pole HORNI1_ zustava) konec opakujici se casti prirazovani posledni hodnoty integralu do prislusneho pole vysledku TOK(k0)=k casova osa TOK(k1)=HORNI1_(krokyb6) TOK(k2)=DOLNI1_(krokyb6) TOK(k3)=HORNI2_(krokyb6) TOK(k4)=DOLNI2_(krokyb6) TOK(k5)=HORNI3_(krokyb6) TOK(k6)=DOLNI3_(krokyb6) TOK(k7)=HORNI4_(krokyb6) TOK(k8)=DOLNI4_(krokyb6) TOK(k9)=HORNI5_(krokyb6) TOK(k10)=DOLNI5_(krokyb6) DELPRM_ smaze vsechny pole vysledku koncici znakem _ enddo konec cyklu zapis_tok odkaz na skript pro zapsani pole vysledku do souboru txt
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
7
77 Makro Vyacutepis makra ktereacute uklaacutedaacute hodnoty do souboru tok_fitxt
MWRITETOK(111)tok_fitxt vytvori soubor tok_fitxt a ulozi do
nej matici vysletku TOK
(10E135) urcuje format zapisu hodnot - 10
sloupcu cisel o celkove delce 13ti
znaku z toho 5 za desetinou teckou
CFCLOS uzavre soubor
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
8
Eviden čniacute list
Souhlasiacutem s tiacutem aby moje bakalaacuteřskaacute praacutece byla půjčovaacutena k prezenčniacutemu studiu v
Univerzitniacute knihově ZČU v Plzni
Datum Podpis
Uživatel stvrzuje svyacutem čitelnyacutem podpisem že tuto bakalaacuteřskou praacuteci použil ke studijniacutem
uacutečelům a prohlašuje že ji uvede mezi použityacutemi prameny
Jmeacuteno Fakultakatedra Datum Podpis
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
19
Vysiacutelaciacute ciacutevka je tvořena pouze jedniacutem zaacutevitem Cu draacutetu ϕ 1 mm jeho indukčnost a kapacita
je vzhledem k jeho vodivosti zanedbatelnaacute a při nižšiacutech frekvenciacutech se tedy chovaacute jako zkrat
Pokud je časovyacute posuv mezi U1 a U2 roven nule pak napětiacute UTX je takeacute rovno nule a Tx
ciacutevkou neteče žaacutednyacute proud obr 33
-12
-8
-4
0
4
8
12
16U1 (V)
-16
-12
-8
-4
0
4
8
12
16
000E+00 100E-05 200E-05 300E-05 400E-05 500E-05 600E-05
čas (s)
U2 (V)
Obr 331 Průběhy signaacutelů U1 a U2 přivaacuteděnyacutech na vyacutevody Tx vinutiacute V detektoru by se dala naměřit pouze elektrickaacute složka pole odpoviacutedajiacuteciacute původniacutemu signaacutelu
Pro detekci kovu je však důležiteacute elektromagnetickeacute pole kteraacute vznikaacute průchodem proudu
vinutiacutem Proudoveacuteho impulsu je dosaženo časovyacutem posunem mezi napětiacutemi U1 a U2
přivaacuteděnyacutemi na svorky Tx vinutiacute V tomto přiacutepadě potečou zkratoveacute proudoveacute pulsy
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
20
odpoviacutedajiacuteciacute připojeneacutemu napětiacute UTX viz obr 34 Vyacutekon detektoru je tedy řiacutezen časovyacutem
posunem mezi průběhy napětiacute U1 a U2 Tomuto časoveacutemu posuvu pak odpoviacutedaacute i velikost
odebiacuteraneacuteho proudu do Tx vinutiacute
-12
-8
-4
0
4
8
12
16U1 (V)
-12
-8
-4
0
4
8
12
16U2 (V)
000E+00 100E-05 200E-05 300E-05 400E-05 500E-05 600E-05
Čas (s)
I (A)
Obr 34 Časově posunutaacute napětiacute U1 U2 přivaacuteděnaacute na vyacutevody Tx vinutiacute a průběh proudu I v Tx vinutiacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
21
33 Přijiacutemaciacute čaacutest - Rx Zaacutekladem přijiacutemaciacute čaacutesti je soustava složenaacute ze dvou paralelně spojenyacutech Rx ciacutevek
podle obr 35 každaacute se dvěma zaacutevity U tohoto uspořaacutedaacuteniacute hraje důležitou roli smysl vinutiacute
Rx ciacutevek (označeniacute počaacutetku a konce vinutiacute) a jejich přesnaacute poloha Tx musiacute prochaacutezet přesně
v jedneacute polovině vzdaacutelenosti l
Obr 35 Geometrickeacute uspořaacutedaacuteniacute je voleno tak že pokud neprochaacuteziacute detektorem kontaminant napětiacute
indukovaneacute napaacutejenou ciacutevkou Tx do Rx ciacutevek je minimaacutelniacute
Jak bylo řečeno v kapitole 32 pro detekci kovu je podstatneacute elektromagnetickeacute pole
Elektrickeacute pole je odstraněno na primaacuterniacutem vinutiacute vstupniacuteho transformaacutetoru TR s dvojityacutem
primaacuterniacutem vinutiacutem zapojenyacutem proti sobě v poměru k sekundaacuterniacutemu vinutiacute 1+130 umiacutestěnyacutem
na Rx boardu Na obraacutezku 36 je zapojeniacute vstupniacuteho obvodu Rx boardu Elektrickaacute složka
pole maacute vůči zemi na obou vyacutevodech Rx ciacutevek stejnyacute průběh Primaacuterniacute vinutiacute TR maacute
vyvedenyacute střed na zem čiacutemž se elektrickaacute složka pole uzemniacute (teče proud) Protože jsou
Rx1 ciacutevka
Rx2 ciacutevka
Tx ciacutevka
l
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
22
průběhy na obou vyacutevodech stejneacute magnetickeacute toky v TR vyvolaneacute proudem působiacute proti sobě
a na sekundaacuterniacute vinutiacute se neindukuje žaacutedneacute napětiacute Dojde-li k narušeniacute magnetickeacuteho pole
uvnitř detekčniacuteho prostoru vznikaacute rozdiacutel naindukovaneacuteho napětiacute v leveacutem a praveacutem vodiči Rx
ciacutevky Tento rozdiacutel napětiacute maacute za naacutesledek tok proudu kteryacute se uzaviacuteraacute přes primaacuterniacute vinutiacute
TR1 a indukuje napětiacute na sekundaacuterniacute straně Toto napětiacute je daacutele zpracovaacutevaacuteno
Obr 36 Vstupniacute obvod Rx boardu
34 Princip vyhodnocovaacuteniacute Signaacutel na sekundaacuterniacutem vinutiacute transformaacutetoru TR je zpracovaacutevaacuten blokem obvodů pro
uacutepravu signaacutelu Ten obsahuje aktivniacute filtr a integračniacute člen s niacutezko-šumovyacutem operačniacutem
zesilovačem Za integračniacutem členem je měřiciacute bod kteryacute je využit při oživovaacuteniacute detektorů
Napětiacute Ub (balance signal) v tomto bodě se zobrazuje na osciloskopu a jeho maximaacutelniacute
hodnota by neměla přesaacutehnout 6 V špička - špička Čiacutem je rozkmit toho napětiacute nižšiacute tiacutem lze
dosaacutehnout vyššiacute citlivosti detektoru (kap 35 Vyvažovaacuteniacute detektoru) Nuloveacuteho rozkmitu
nelze dosaacutehnout mimo jineacute kvůli vyacuterobniacutem toleranciacutem zařiacutezeniacute a nehomogenitaacutem Citlivost
elektronickyacutech čaacutestiacute je velmi vysokaacute a uplatňujiacute se rušiveacute vlivy při jejich činnosti (vliv
teploty mechanickeacute chvěniacute) Napětiacute Ub odpoviacutedaacute vyrovnaacutevaciacutemu proudu v Rx ciacutevkaacutech
Přiacuteklad jeho průběhu bez kontaminantu je na obr 37
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
23
Obr 37 Přiacuteklad průběhu napětiacute Ub
Napětiacute Ub je přivaacuteděno na dva samostatneacute elektronickeacute obvody (řiacutezeneacute usměrňovače)
ovlaacutedaneacute řiacutediacuteciacutemi napětiacutemi z mikrokontroleru (na Tx boardu) Dvě řiacutediacuteciacute napětiacute jednoho
usměrňovače jsou vůči sobě o π posunuty a zaacuteroveň jsou posunuty o π2 proti dvěma řiacutediacuteciacutem
napětiacutem druheacuteho usměrňovače Vyacutesledkem jsou dva napěťoveacute signaacutely (P a Q) ktereacute jsou daacutele
zpracovaacutevaacuteny (integrace zesiacuteleniacute) s možnostiacute ručniacute volby zesiacuteleniacute ve čtyřech stupniacutech
(ovlaacutedaacuteniacute citlivosti detektoru) Tyto signaacutely jsou již nositelem informace a jsou na Control
boardu převedeny do digitaacutelniacute podoby Takto upraveneacute signaacutely jsou vyhodnocovaacuteny
algoritmy v hlavniacutem mikrokontroleru
35 Vyvažovaacuteniacute detektoru Zaacutekladem kvalitniacute a stabilniacute detekce je ciacutevkovyacute systeacutem Aby se dosaacutehlo co nejlepšiacuteho
vyvaacuteženiacute ciacutevek je nutnaacute přesnaacute bytelnaacute a rozměrově staacutelaacute konstrukce Detektory společnosti
Loma Systems sro majiacute ciacutevky uloženeacute ve vyfreacutezovanyacutech draacutežkaacutech a zajištěneacute epoxidovyacutem
lepidlem I přes to je detektor po osazeniacute elektronikou značně nevyvaacuteženyacute balančniacute napětiacute Ub
překračuje požadovanou hodnotu 6 V špička - špička natolik že může dojiacutet i k saturaci
elektronickyacutech obvodů Je tedy nutneacute ciacutevkovyacute systeacutem vyvaacutežit (vybalancovat)
Nejprve se provede hrubeacute laděniacute spočiacutevajiacuteciacute v tvarovaacuteniacute maleacute smyčky Tx vinutiacute v čele
detektoru obr 38
0 T2 T
25 V Ub
-25 V
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
24
Obr 38 Vyvažovaciacute očko na Tx vinutiacute a vlepenyacute pliacutešek uvnitř detekčniacuteho otvoru
Tato smyčka plniacute funkci kompenzačniacuteho vinutiacute po natvarovaacuteniacute je očko zaliteacute epoxidovyacutem
lepidlem U detektorů s vnitřniacute uacutepravou detekčniacuteho otvoru modryacutem epoxidem se do
detekčniacuteho otvoru daacutele vlepujiacute vyvažovaciacute pliacutešky různyacutech tvarů a velikostiacute (od 1 cm2 do 4
cm2) obr 38 ktereacute se naacutesledně zalijiacute do roviny modryacutem epoxidem Jako materiaacutel
vyvažovaciacutech pliacutešků je použita nerezovaacute ocel ANSI 304 (DIN 14301) tloušťky 2 mm Druhyacute
typ detektorů s odolnyacutem plastovyacutem povrchem (typ US) neumožňuje vlepovaacuteniacute pliacutešků
dovnitř detekčniacuteho otvoru Balancovaacuteniacute se tedy provaacutediacute přesnějšiacutem tvarovaacuteniacutem Tx očka
popřiacutepadě vlepovaacuteniacutem pliacutešků v jeho okoliacute
Pro jemneacute doladěniacute se u obou těchto variant (US typ a klasickyacute s modrou epoxidovou
vyacuteplniacute detekčniacuteho otvoru) osazujiacute balančniacute moduly obr 39 ktereacute na plastoveacutem otočneacutem diacutelu
majiacute tuning block o rozměrech cca 05 cm2 z 5 mm tlusteacuteho nerezu Oba balančniacute moduly
umožňujiacute pohyb tuning blocku v okoliacute vyvažovaciacuteho očka
Obr 39 Balančniacute moduly i s kryciacutemi plechy vlevo US vpravo klasickyacute
Tyto moduly nejsou přiacuteliš efektivniacute a sloužiacute pouze k miacuterneacutemu vyvaacuteženiacute Použiacutevajiacute se dva typy
Tuning block
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
25
těchto modulů podle varianty vnitřniacute vyacuteplně detektoru (US typ a klasickyacute s modrou
epoxidovou vyacuteplniacute detekčniacuteho otvoru) Jedniacutem z přijatyacutech naacutevrhů pro vylepšeniacute detektorů s
modrou epoxidovou vyacuteplniacute je použitiacute stejneacuteho balančniacuteho modulu jako u detektoru typu US
Vyacuterobniacute cena US balančniacuteho modulu je podstatně nižšiacute a umožňuje změnu polohy
vyvažovaciacuteho diacutelu nejen po obvodu kružnice ale i změnu vzdaacutelenosti mezi rovinami očka a
tuning bloku Změna teacuteto vzdaacutelenosti se využije v přiacutepadě kdy po osazeniacute detektoru s modrou
epoxidovou pryskyřiciacute balančniacutem modulem dojde ke zhoršeniacute vyvaacuteženiacute ktereacute pouhyacutem
natočeniacutem po kružnici nelze vykompenzovat Použiacutevaacuteniacutem pouze balančniacuteho modulu typu
US by se dosaacutehlo sniacuteženiacute počtu součaacutestek ve vyacuterobniacutem procesu sniacuteženiacute naacutekladů na vyacuterobu
detektoru s modrou epoxidovou vyacuteplniacute detekčniacuteho prostoru a odstranil by se i probleacutem
vznikajiacuteciacute při osazeniacute těchto detektorů balančniacutemi moduly
Dalšiacute naacutevrh se tyacutekal materiaacutelu použiteacuteho na tuning block Snahou bylo zvyacutešit vliv
tuning bloku natolik aby bylo možneacute vynechat kompenzačniacute očko čiacutemž by došlo k urychleniacute
laděniacute Byly testovaacuteny materiaacutely FeNi47ln5 tloušťky 03 mm a FeNi42 tloušťky 04 mm Byl
zvolen tvar kteryacute umožňoval použitiacute staacutevajiacuteciacutech US modulů obr 310 Vliv tuning blocků
se sice zvyacutešil nicmeacuteně ne natolik aby mohlo byacutet vyvažovaciacute očko zcela vynechaacuteno
Obr 310 Prototypy tuning blocků z novyacutech materiaacutelů
36 Vyacutestupniacute kontrola Před samotnou expediciacute detektoru je nutneacute proveacutest kontrolu detekce Kvalita detekce
je ověřovaacutena třemi typy kontaminantů neželeznyacute - NONFE (mosaz) železnyacute - FE (chromovaacute
ocel) a nerezovyacute - SS (ANSI 304) K tomu jsou určeny přiacutepravky na obr 311 a 312 Jednaacute
se o kuličky definovanyacutech průměrů ktereacute jsou zaliteacute v plastovyacutech tyčinkaacutech opatřenyacutech
rozměrovou specifikaciacute kontaminantu Barva tyček odlišuje použityacute typ kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
26
Obr 311 Testovaciacute vzorky pro dopravniacutekoveacute detektory
Obr 312 Testovaciacute vzorky pro farmaceutickeacute detektory
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
27
4 Optimalizace a stiacuten ěniacute detektoru Jedniacutem z bodů teacuteto praacutece je navrženiacute optimalizaciacute průmysloveacuteho detektoru kovu z
hlediska kvality detekce a vyšetřeniacute elektromagnetickeacuteho pole s ohledem na rušiveacute vlivy Z
počaacutetku byly provaacuteděny pokusy se stiacuteněniacutem ciacutevek s ohledem na rušeniacute vnějšiacutem
elektromagnetickyacutem polem Prvniacute uacutevahy vedly k použitiacute stiacuteniacuteciacuteho materiaacutelu s velkou
permeabilitou kteryacute by do sebe soustředil většiacute množstviacute indukčniacutech čar unikajiacuteciacutech do okoliacute
a tiacutem omezil vnějšiacute rušeniacute Na zaacutekladě teacuteto uacutevahy byly testovaacuteny dva materiaacutely FeNi47ln5
tloušťky 03 mm a FeNi42 tloušťky 04 mm ktereacute mohou dosahovat relativniacute permeability až
micror_12106 [5] Těmito pokusy se sice sniacutežilo množstviacute indukčniacutech čar magnetickeacuteho pole
unikajiacuteciacuteho z detektoru ale vlivem přiacuteliš velkeacute permeability bylo ovlivněno i pole uvnitř
detekčniacuteho prostoru kde došlo ke sniacuteženiacute citlivosti Tento naacutevrh měl dalšiacute negativniacute faktory
jako je vysokaacute cena použityacutech materiaacutelů a omezeneacute vyacuterobniacute možnosti nedostačujiacuteciacute šiacuteřkou
paacutesů což by vedlo ke sklaacutedaacuteniacute plechů vedle sebe a tiacutem ke vzniku nehomogenit
Aby byly optimalizace efektivniacute je třeba znaacutet rozloženiacute elektromagnetickeacuteho pole
uvnitř detektoru a vlivy ktereacute na něj působiacute Proto bylo přistoupeno k využitiacute počiacutetačoveacuteho
softwaru Ansys Jednaacute se o profesionaacutelniacute software založenyacute na metodě konečnyacutech prvků Je
určen předevšiacutem pro simulace mechanickeacuteho namaacutehaacuteniacute ale umožňuje i řešeniacute teplotniacutech
elektromagnetickyacutech a sdruženyacutech poliacute [6] Ansys byl vybraacuten předevšiacutem pro možnost řešeniacute i
3D probleacutemů V teacuteto praacuteci bylo z důvodů vyacutepočetniacute naacuteročnosti a velkeacuteho množstviacute
jednotlivyacutech vyacutepočtů přistoupeno k řešeniacute probleacutemu pouze ve dvourozměrneacutem prostoru V
tomto přiacutepadě je řešeno nestacionaacuterniacute magnetickeacute pole ktereacute popisuje rovnice (41) [7]
( ) extr JArotdt
dABArotrot =timesminus+
minus γυγmicro1
(41)
kde
BArot = (42)
A magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel
micro permeabilita
Br remanentniacute indukce
B magnetickaacute indukce
γ měrnaacute elektrickaacute vodivost
ν rychlost pohybu tělesa v magnetickeacutem poli
Jext vektor vnějšiacute proudoveacute hustoty
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
28
41 Vyšet řovaacuteniacute vlivu pozice Rx vinutiacute Nejprve byly provedeny simulace staacutevajiacuteciacuteho zařiacutezeniacute o rozměrech detekčniacuteho otvoru
150 mm x 350 mm Zaacutekladniacute geometrie probleacutemu je na obraacutezku 41 Pro řešeniacute zaacutekladniacuteho
probleacutemu by bylo možneacute použiacutet symetrii modelu pokud však model doplniacuteme o kontaminant
možnost teacuteto symetrie odpadaacute Byly provedeny tři seacuterie vyacutepočtů ktereacute se lišily materiaacutelem
kontaminantu Každaacute seacuterie se sklaacutedala z 24 samostatnyacutech vyacutepočtů ve kteryacutech se postupně
měnila pozice kontaminantu tak jako je tomu při skutečneacute situaci na dopravniacutem paacutesu
Použityacutem APDL skriptem by bylo možneacute řešit i průchody kontaminantu v různyacutech vyacuteškaacutech
detekčniacuteho otvoru Pro potřeby těchto vyacutepočtů byl průchod zvolen středem jelikož je zde
citlivost detektoru nejnižšiacute Nutno poukaacutezat na skutečnost že kontaminant reprezentovanyacute
kružniciacute v řezu detektoru nelze považovat za kulovyacute nyacutebrž za vodič kruhoveacuteho průřezu
stejneacute deacutelky jako Tx respektive Rx vinutiacute Rozmeziacute pohybu kontaminantu bylo od -230 mm
do 230 mm vůči Tx vinutiacute s krokem 20 mm Obdeacutelniacuteky v okoliacute Tx vinutiacute byly vytvořeny za
uacutečelem možnosti zjemněniacute vyacutepočetniacute siacutetě v prostoru Tx a Rx vinutiacute Na obraacutezku 41 nejsou
namodelovaacuteny Rx ciacutevky neboť hodnota naindukovaneacuteho napětiacute byla ziacuteskaacutevaacutena v pěti
různyacutech vyacuteškovyacutech poziciacutech a bylo hodnoceno indukovaneacute napětiacute Ui
Obr 41 Zaacutekladniacute geometrie
nerezovyacute kryt
vodiče Tx vinutiacute
kontaminant
obdeacutelniacuteky vzduchoveacuteho okoliacute s jemnějšiacute vyacutepočetniacute siacutetiacute střed souřadneacuteho
systeacutemu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
29
411 Preprocessing - p řiacuteprava skriptu Nejprve bylo nutneacute zjistit geometrickeacute rozměry a materiaacuteloveacute konstanty zkoumaneacuteho
detektoru Geometrickeacute rozměry byly ziacuteskaacuteny z databaacuteze Solidworks modelů společnosti
Loma Systems sro V kapitole 71 je uacuteryvek APDL skriptu pro tvorbu geometrie
Materiaacutely použiteacute v modelu jsou vzduch vodiče Tx vinutiacute nerezovyacute obal detektoru a
materiaacutely kontaminantů V raacutemci zjednodušeniacute modelu nebyly uvažovaacuteny PVC izolace Tx
vinutiacute samotneacute Tufneloveacute jaacutedro a materiaacutel s niacutemž je prostor mezi jaacutedrem a nerezovyacutem
krytem vyplněn neboť tyto materiaacutely vykazujiacute z pohledu šiacuteřeniacute elektromagnetickeacuteho pole
stejneacute vlastnosti jako vzduch Konkreacutetniacute hodnoty materiaacutelovyacutech konstant viz tabulka 41
odpor Tx vinutiacute nebyl uvažovaacuten neboť jeho plochy byly zatiacuteženy definovanou proudovou
hustotou tudiacutež neniacute možneacute uvažovat přiacutepadně naindukovaneacute viacuteřiveacute proudy Daacutele bylo nutneacute
zvolit a spraacutevně nastavit použiteacute elementy modelu
Tab 41 Materiaacuteloveacute vlastnosti
měrnaacute
permeabilita [-] měrnyacute elektrickyacute
odpor [Ωm]
vzduch 1 -
Tx vinutiacute 1 -
nerezovaacute ocel (ANSI 304 DIN 14301)
1008 [10] 72010-7
neželeznyacute kontaminant (mosaz)
1 75010-8
železnyacute kontaminant (chromovaacute ocel)
400 12010-7
nerezovyacute kontaminant (ANSI 304 DIN 14301) 1008 72010-7
Jako elementy daneacuteho modelu byly zvoleny elementy PLANE53 určeneacute pro řešeniacute
magnetickeacuteho pole Jednaacute se o osmi uzloveacute elementy ktereacute mohou miacutet až čtyři stupně
volnosti na uzel Stupně volnosti mohou byacutet magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel (AZ) časově
integrovanyacute elektrickyacute skalaacuterniacute potenciaacutel (VOLT) elektrickyacute proud (CURR) a
elektromotorickaacute siacutela (EMF) [6] Geometrie elementu na obr 42
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
30
Obr 42 Geometrie elementu PLANE53 [6]
Uacuteryvek koacutedu v kapitole 72 obsahuje definovaacuteniacute materiaacutelovyacutech vlastnostiacute definovaacuteniacute
elementů a jejich nastaveniacute V dalšiacute časti bylo nutneacute jednotliveacute materiaacutely a elementy přiřadit
danyacutem plochaacutem
Daacutele bylo zapotřebiacute nastavit atributy pro automatickeacute siacuteťovaacuteniacute oblasti Je nutneacute aby v
tenkyacutech a malyacutech plochaacutech byla vyššiacute hustota siacutetě než na velkyacutech plochaacutech kde postačuje siacuteť
řidšiacute Velmi důležitaacute je kompatibilita siacutetě proto byla v okoliacute Tx vodičů vytvořena
obdeacutelniacutekovaacute oblast s hustšiacute siacutetiacute viz uacuteryvek koacutedu v přiacuteloze 73
Obr 43 Detailniacute pohled na siacuteť elementů
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
31
V posledniacute čaacutesti preprocessingu byla definovaacutena Dirichletova okrajovaacute podmiacutenka
udaacutevajiacuteciacute magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel roven nule na vnějšiacute hrany vzduchoveacuteho okoliacute a
průběh budiacuteciacute proudoveacute hustoty v Tx vodičiacutech V horniacutem a dolniacutem vodiči měly toky opačnyacute
smysl proto bylo nutneacute vytvořit dva vektory hodnot J1 (obr 44) a mJ1 V posledniacute řadě bylo
provedeno přiřazeniacute průběhů k plochaacutem viz kapitola 74
Obr 44 Průběh proudoveacute hustoty v ploše Tx vodiče
Ansys byl do Solution modu přepnut přiacutekazem SOL kde se provedlo nastaveniacute
analyacutezy a byl spuštěn vyacutepočet viz kapitola 76
412 Postprocessing - ziacuteskaacutevaacuteniacute vyacutesledk ů Ciacutelem teacuteto čaacutesti bylo zjištěniacute průběhů naindukovanyacutech napětiacute Ui v zaacutevislosti na čase
pro různeacute vyacuteškoveacute pozice přijiacutemaciacutech ciacutevek Rx Pro indukovaneacute napětiacute platiacute vztah
( )Vndt
dU i sdotΦminus= (43)
kde
( )TdxBlx
x
Yint sdotsdot=Φ2
1
(44)
n počet zaacutevitů Rx vinutiacute
l deacutelka Rx vinutiacute ve směru osy Z
x1 a x2 šiacuteřka Rx vinutiacute ve směru osy X
BY složka magnetickeacute indukce v ose Y
Zadaacuteniacutem souřadnic dvou bodů se nadefinovala uacutesečka (cesta) na kterou byly s určityacutem
J (Am-2)
kroky vyacutepočtu (-)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
32
krokem zaznamenaacuteny hodnoty magnetickeacute indukce BY Průběh BY v zaacutevislosti na souřadnici X
je na obr 45
Obr 45 Průběh magnetickeacute indukce BY v zaacutevislosti na souřadnici X
Obr 46 Průběh magnetickeacuteho toku Φ v zaacutevislosti na souřadnici X
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
33
Integrovaacuteniacutem průběhu BY se ziacuteskal průběh magnetickeacuteho indukčniacuteho toku Φ obr 46
Magnetickyacute indukčniacute tok Φ je roven určiteacutemu integraacutelu (rovnice 44) průběhu BY obr 45 Z
toho vyplyacutevaacute že magnetickyacute indukčniacute tok je roven posledniacute hodnotě průběhu na obr 46
Tato hodnota se vynaacutesobila deacutelkou Rx vinutiacute Postup vyacutepočtu se opakoval pro všechny pozice
Rx vinutiacute a to v každeacutem kroku transientniacute analyacutezy Tiacutem se ziacuteskala zaacutevislost magnetickeacuteho
indukčniacuteho toku Φ na čase t V programu MS Excel se vynaacutesobil tok počtem zaacutevitů Rx vinutiacute
a byla provedena derivace podle času (rovnice 43) Takto byly zpracovaacuteny vyacutesledky pro
všechny pozice kontaminantu vůči Tx vinutiacute APDL skript pro ziacuteskaacutevaacuteniacute hodnot viz kapitola
76 a v kapitole 77 je vyacutepis makra ktereacute uklaacutedaacute hodnoty do souboru
413 Hodnoceniacute vyacutesledk ů Vypočteneacute hodnoty Ui ve všech pěti vyacuteškovyacutech poziciacutech hrx byly vyneseny do grafů v
zaacutevislosti na čase Pokud se vynesou do jednoho grafu průběhy indukovanyacutech napětiacute pro
každou pozici kontaminantu v daneacute vyacutešce lze sledovat odezvu indukovaneacuteho napětiacute na
polohu kontaminantu Jelikož byly provedeny tři seacuterie vyacutepočtů s různyacutemi kontaminanty lze
porovnat i tvary přijiacutemanyacutech signaacutelu pro jednotliveacute materiaacutely Ciacutelem teacuteto čaacutesti je porovnat
signaacutely ziacuteskaacutevaneacute v různyacutech vyacuteškovyacutech polohaacutech Rx vinutiacute a vybrat nejvhodnějšiacute signaacutel pro
detekci
Na naacutesledujiacuteciacutech grafech jsou znaacutezorněny napěťoveacute průběhy během jedneacute periody v
zaacutevislosti na poloze kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
34
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 47 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 48 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
35
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 49 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 410 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
36
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 411 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 5)
Na obraacutezciacutech 47 až 411 jsou zobrazeny průběhy odpoviacutedajiacuteciacute průchodu železneacuteho
kontaminantu s relativniacute permeablitou 400 a měrnyacutem elektrickyacutem odporem 10210-7 Ωm Na
průběziacutech 47 48 a 411 lze pozorovat sice nižšiacute hodnotu signaacutelu ale celkovaacute deformace
během průchodu kontaminantu je většiacute
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 412 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
37
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 413 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 414 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
38
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 415 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 416 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce5)
Na obraacutezciacutech 412 až 416 jsou zobrazeneacute průběhy odpoviacutedajiacuteciacute průchodu kontaminantu z
nerezu ANSI 304 s relativniacute permeablitou 1008 a měrnyacutem elektrickyacutem odporem 7210-7
Ωm Při porovnaacuteniacute s předchoziacutem kontaminantem je změna signaacutelu nižšiacute což odpoviacutedaacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
39
předpokladům o obtiacutežnějšiacute detekci nerezovyacutech kontaminantů
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 417 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 418 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
40
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 419 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 420 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
41
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 421 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 5)
Na obraacutezciacutech 417 až 421 jsou zobrazeny průběhy odpoviacutedajiacuteciacute neželezneacutemu
kontaminantu (mědi) s parametry relativniacute permeablita 1 a měrnyacute elektrickyacute odpor 7510-8
Ωm Průběh signaacutelu je velmi podobnyacute signaacutelům nerezoveacuteho kontaminantu
Porovnaacuteniacutem všech grafů (obr 47 - obr 422) je obecně vidět že u průběhů ve vyacutešce
3 a 4 je zisk signaacutelu pro všechny modelovaneacute kontaminanty největšiacute Dochaacuteziacute zde ale ke
změně amplitudy pouze v jednom smyslu což z hlediska vyhodnocovaciacutech algoritmů zlepšeniacute
detekce vylučuje Naproti tomu je u signaacutelu ve vyacutešce 5 znatelně vyššiacute amplituda než v
použiacutevaneacute vyacutešce 2 Na zaacutekladě tohoto zjištěniacute bude zhotoven prototyp detektoru za uacutečelem
ověřeniacute teoretickyacutech vyacutesledků
Na obraacutezku 422 je ukaacutezka grafickeacuteho vyacutestupu zobrazujiacuteciacuteho vektory proudoveacute
hustoty naindukovaneacute v nerezoveacutem krytu a v kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
42
Obr 422 Vektory proudovyacutech hustot naindukovanyacutech do kontaminantu a nerezoveacuteho krytu
Obraacutezek 423 zobrazuje kontury magnetickeacuteho pole ve stejneacutem časoveacutem kroku jako obr
422 Pole ktereacute je konturami zobrazeno je tvořeno praacutevě proudovou hustotou obr 422 Je
zde možneacute pozorovat jak se pole deformuje přiacutetomnyacutem kontaminantem
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
43
Obr 423 Kontury magnetickeacuteho vektoroveacuteho potenciaacutelu s viditelnou deformaciacute pole způsobenou
feromagnetickyacutem kontaminantem
42 Vyšet řovaacuteniacute množstviacute vyza řovaneacute energie V teacuteto čaacutesti se vychaacutezelo z předpokladu že intenzita elektromagnetickeacuteho pole uvnitř
detektoru je mnohem většiacute než elektromagnetickyacute šum kteryacute do detektoru vnikaacute z okoliacute
Proto lze předpoklaacutedat že rušeniacute bude způsobeno předevšiacutem deformaciacute vlastniacuteho
vyzařovaneacuteho pole v bliacutezkeacutem okoliacute detektoru To vede ke snaze snižovat množstviacute vlastniacuteho
vyzaacuteřeneacuteho pole ven z detektoru aby nemohlo byacutet deformovaacuteno okolniacutemi předměty
421 Řešeniacute probleacutemu Bylo porovnaacuteno pět variant detektorů bez průchodu kontaminantu Každaacute varianta se
řešila jedniacutem vyacutepočtem z čehož plyne malaacute časovaacute naacuteročnost a proto byly probleacutemy řešeny
bez využitiacute symetrie Prvniacute byl staacutevajiacuteciacute detektor o tloušťce kryciacuteho nerezoveacuteho plechu 3 mm
druhyacute byl stejneacute geometrie ale za použitiacute silnějšiacuteho 5 mm tlusteacuteho nerezu Třetiacute typ měl
tloušťku 3 mm ale na horniacute a dolniacute stěně bylo přidaacuteno dalšiacute stiacuteněniacute z nerezu ve tvaru T (obr
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
44
426) Posledniacute dva naacutevrhy měly pravouacutehlyacute tvar krytu celkově menšiacutech rozměrů z nichž jeden
byl jednoduchyacute o tloušťce 3 mm (obr 427) a druhyacute měl shora a zdola dvojiteacute dno z nerezu
tloušťky 3 mm (obr_428) Touto metodou by se dalo porovnaacutevat mnohem většiacute množstviacute
provedeniacute ktereacute by se mohly lišit i použityacutem materiaacutelem Vzduchoveacute okoliacute detektoru bylo
rozděleno na čtyři sektory v nichž se sečetly hodnoty magnetickeacute energie jednotlivyacutech
elementů v každeacutem kroku analyacutezy a tiacutem se ziacuteskal průběh množstviacute energie v daneacutem prostoru
na čase Objemovaacute hustota magnetickeacute energie byla zjišťovaacutena ve všech plochaacutech daneacute
geometrie a bylo možno sledovat jak se energie v čase přemisťuje
Obr 424 Geometrie varianty 3 mm
Obr 425 Geometrie varianty 5 mm
Obr 426 Geometrie varianty 3 mm-stineni
Obr 427 Geometrie varianty novy 1
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
45
Obr 428 Geometrie varianty novy 2
Přiacuteprava skriptů se od předchoziacutech vyacutepočtů lišila pouze v geometrii jinak byla
principiaacutelně stejnaacute Rozdiacutel byl však v čaacutesti post-processingu (ziacuteskaacutevaacuteniacute vyacutesledků) Aby bylo
možno přistupovat k jednotlivyacutem sektorům musel byacutet každyacute sektor definovaacuten vlastniacutem typem
elementů (elementy byly použity stejneacute jednaacute se pouze o čiacuteslovaacuteniacute) Byly použity osmkraacutet
elementy PLANE53
ET153 Tx vinuti ET253 prostor uvnitr detektoru ET353 nerezovy obal ET453 detekcni prostor ET553 vzduchove okoli - horni ET653 vzduchove okoli - pravy ET753 vzduchove okoli - dolni ET853 vzduchove okoli - levy
Přiacuteklad načiacutetaacuteniacute vyacutesledků pro jeden typ elementů
POST1 prepnutiacute do postprocesoru allsel oznaceni vsech elementu vytvoreni pole pro ukadani hodnot DIMenergie1TABLEkroku11timeE zapsani nulovych hodnot na zacatek vektoru vysledku energie1(00)=0 energie1(01)=0 cyklus ve kterem se nacitaji vysledky jednotlivych kroku simulace doi1kroku1 APPEND 1 i nacteni daneho kroku eseltype1 vybrani elementu typu 1 GET e_count1 ELEM count vraci mnozstvi elementu daneho typu GET e_next ELEM 0 NXTH vraci nejnizsi adresu elementu daneho typu v promenne e_next energ1=0 vynulovani promenne cyklus ktery postupne prochazi vsechy elementy daneho typu doj1e_count11 GET e_energ1 ELEM e_next SENE ulozi do promene e_energ1 mnozstvi energie v elementu s adresou e_next
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
46
GET e_next ELEM e_next NXTH posune adresu elementu o jedna energ1=energ1+e_energ1 pricte mnozstvi energie e_energ1 do kumulativni promnenne energ1 enddo konec vnitrniho cyklu energie1(i0)=i zapise do pole vysledku cislu jirju simulace energie1(i1)=energ1 zapise do pole vysledku mnozstvi energie v cele plose s elementy daneho typu enddo konec vnejsiho cyklu zapis_energ zavolani makra pro zapis vysledku do souboru
422 Hodnoceniacute vyacutesledk ů V jednotlivyacutech sektorech se provedla suma magnetickeacute energie pro každyacute krok
simulace Vyacutesledkem jsou průběhy množstviacute energie v daneacute ploše v zaacutevislosti na krociacutech
simulace (čase) Jednotliveacute varianty byly hodnoceny na zaacutekladě porovnaacuteniacute průběhů se
staacutevajiacuteciacutem detektorem
Energie v Tx vinutiacute
000E+00
100E-03
200E-03
300E-03
400E-03
500E-03
600E-03
700E-03
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 429 Energie v Tx vinutiacute
Na grafu (obr 429) je vidět že množstviacute energie v Tx vinutiacute neniacute zaacutevisleacute na geometrii a je
daacuteno budiacuteciacutem signaacutelem v Tx vinutiacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
47
Energie unit ř detektoru
000E+00
200E-02
400E-02
600E-02
800E-02
100E-01
120E-01
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 430 Energie uvnitř detektoru
Na obr 430 je znaacutezorněno množstviacute energie v prostoru detektoru do ktereacuteho neniacute
započiacutetaacutena detekčniacute oblast ta je zobrazena na obr 432 V teacuteto čaacutesti neniacute pozorovaacutena žaacutednaacute
vyacuteraznaacute změna
Energie v nerezoveacutem obalu
000E+00
500E-05
100E-04
150E-04
200E-04
250E-04
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 431 Energie v nerezoveacutem obalu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
48
Vyacuteraznějšiacute změny se odehraacutevajiacute v nerezoveacutem obalu Nejmenšiacute množstviacute energie je v klasickeacute
3 mm tlusteacute a v 5 mm tlusteacute variantě U klasickeacute varianty se stiacuteněniacutem a u novyacutech naacutevrhů je
naacuterůst způsoben přibliacuteženiacutem nerezu k Tx vinutiacute
Energie v prostoru detek čniacuteho otvoru
000E+00
500E-03
100E-02
150E-02
200E-02
250E-02
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 432 Energie v prostoru detekčniacuteho otvoru
V oblasti detekčniacuteho otvoru je snaha o uchovaacuteniacute co největšiacuteho množstviacute energie neboť
zmenšeniacute energie vede ke sniacuteženiacute odezvy na kontaminant tedy ke sniacuteženiacute citlivosti detektoru
Z obr 432 je patrneacute že geometrickeacute uacutepravy detektoru (3 mm se stiacuteněniacutem novy 1 a novy 2)
vedou ke sniacuteženiacute množstviacute energie v tomto prostoru
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
49
Energie v horniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
100E-07
200E-07
300E-07
400E-07
500E-07
600E-07
700E-07
800E-07
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 433 Energie v horniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Energie v dolniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
100E-07
200E-07
300E-07
400E-07
500E-07
600E-07
700E-07
800E-07
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 434 Energie v dolniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Porovnajiacute-li se obr 433 a 434 je u variant 1 - 3 možneacute pozorovat rozdiacutely mezi horniacute a dolniacute
plochou Je zde na prvniacute pohled vidět jak horniacute oblouk snižuje množstviacute energie unikajiacuteciacute do
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
50
okoliacute Jako uacutečinneacute se z pohledu těchto sektorů jeviacute varianta klasickeacuteho detektoru se stiacuteněniacutem a
novyacute naacutevrh s dvojityacutemi stěnami
Energie v praveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
500E-06
100E-05
150E-05
200E-05
250E-05
300E-05
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 435 Energie v praveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Energie v leveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
500E-06
100E-05
150E-05
200E-05
250E-05
300E-05
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 436 Energie v leveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
51
Pravyacute a levyacute sektor je z důvodů symetrie stejnyacute na obrazciacutech 435 a 436 lze pozorovat tzv
metal free zoacutenu kteraacute se u detektorů udaacutevaacute Jednaacute se o prostor před a za detekčniacutem otvorem
ve ktereacutem se nesmiacute nachaacutezet žaacutednyacute kovovyacute materiaacutel (z důvodu ovlivňovaacuteniacute pole) snahou je
tuto zoacutenu co nejviacutece zmenšit Z grafů je patrneacute že novyacute naacutevrh s dvojityacutemi stěnami vykazuje
nejmenšiacute množstviacute energie v teacuteto oblasti Naopak u klasickeacute varianty se stiacuteněniacutem došlo k
vytlačeniacute pole z vnitřku detektoru praacutevě do těchto okolniacutech zoacuten
Na zaacutekladě těchto poznatků bude provedeno ověřeniacute na skutečnyacutech zařiacutezeniacutech Mezi
použitelneacute varianty připadaacute klasickaacute konstrukce doplněnaacute o stiacuteněniacute a novyacute naacutevrh s dvojityacutemi
stěnami U toho je však velkaacute hrozba sniacuteženiacute citlivosti způsobeneacute menšiacutem množstviacutem energie
v detekčniacutem prostoru
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
52
5 Zaacutevěr Ciacutelem předklaacutedaneacute praacutece je zlepšeniacute činnosti detektorů kovů přiacutepadně uacuteprava
technologie vyacuteroby při současneacutem sniacuteženiacute vyacuterobniacutech naacutekladů Předpokladem uacutespěšnyacutech
naacutevrhů byla podrobnaacute studie činnosti a principu těchto zařiacutezeniacute kteraacute jsou vyacuterobcem po
několik let uacutespěšně prodaacutevaacutena na světovyacutech trziacutech
Na zaacutekladě těchto požadavků byly provedeny některeacute testy ktereacute měly ověřit
předpoklaacutedanaacute zlepšeniacute Nejširšiacute možnosti přinaacutešiacute modelovaacuteniacute magnetickeacuteho pole
průmyslovyacutech detektorů počiacutetačovou simulaciacute kteraacute je zatiacutem schopna řešit zadaneacute probleacutemy
v dvourozměrneacutem prostoru Nejčastěji řešeneacute probleacutemy jsou staacutele spojeny se zaacutekladniacutem
principem činnosti těchto zařiacutezeniacute tj vlivem a působeniacutem kontaminantu na
elektromagnetickeacute pole buzeneacute ciacutevkami uvnitř detektoru a nepřiacuteznivyacute vliv vnějšiacutech rušivyacutech
poliacute např při současneacute činnosti sousedniacutech detektorů Dalšiacutem zdrojem rušivyacutech magnetickyacutech
poliacute může byacutet i činnost a přiacutetomnost různyacutech elektrickyacutech zařiacutezeniacute probleacutem spojenyacute s
vhodnyacutem materiaacutelem a tvarem stiacuteněniacute těchto zařiacutezeniacute
Vzhledem k maximaacutelniacute citlivosti elektronickyacutech obvodů a požadovaneacute pečlivosti při
balancovaacuteniacute (vyvažovaacuteniacute) se vyskytuje probleacutem kteryacute souvisiacute se staacutelostiacute nastaveniacute detektoru
při mechanickeacutem otřesu přiacutepadně odstraněniacute změn ke kteryacutem dochaacuteziacute vlivem dopravy
Dalšiacutem plaacutenovanyacutem krokem je namodelovaacuteniacute probleacutemu v trojrozměrneacutem prostoru od
ktereacuteho je očekaacutevaacuteno zohledněniacute dalšiacutech vlivů a tiacutem zpřesněniacute samotneacuteho vyacutesledku
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
53
6 Použitaacute literatura [1] Internetoveacute straacutenky společnosti Loma Systems sro
httpwwwlomacom_czindexshtml
[2] Haacutejek J Jarchovskyacute Z Detektory kovů - naacutevod na stavbu nakladatelstviacute BEN Praha
2010
[3] Beneda L Detektory kovů bakalaacuteřskaacute praacutece ZČU Plzeň 2010
[4] Internetoveacute straacutenky společnosti Ad controls sro
httpwwwadcontrolsczdetektory_kovu_zakladni_pojmy
[5] KOVOHUTĚ ROKYCANY as COMTES FHT as MATEX sro Průběžnaacute
zpraacuteva k projektu FeNi - čj 1021207 - 32 za rok (2007 - 2009)
[6] Ansys Inc ANSYS HELP Release 130 Dokumentace k programu
[7] Karban P a kolektiv autorů Aplikace teoretickeacute elektrotechniky Skripta ZČU Plzeň
2011
[8] Benešovaacute Z Ulrych B Přiacuteručka pro použitiacute programů ve vyacuteuce teorie
elektromagnetickeacuteho pole Skripta ZČU Plzeň 1997
[9] Loma Systems sro Knowledge Base - Interniacute dokumentace společnosti
[10] Internetoveacute straacutenky společnosti Aerospace specification metals Inc
httpasmmatwebcomsearchSpecificMaterialaspbassnum=MQ304A
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
1
7 Přiacutelohy
71 Tvorba geometrie PREP7 prepnuti do rezimu preprocesingu jj=8 index polohy kontaminantu r1=05e-3 polomer Tx vodice 05 mm r2=15e-3 polomer kontaminantu 15 mm c=90e-3 sirka Rx civek h=1767e-3 vzdalenost mezi Tx vinutim hrx=(h2)+526e-3 zakladni vyskova poloha mezi Rx civkami hss=175e-3 vyska nerezoveho krytu wss=150e-3 sirka nerezoveho krytu tss=3e-3 tloustka nerezove steny hd=h-227e-3 vyska detekcniho otvoru wok=1000e-3 sirka vzduchoveho okoli hok=1000e-3 vyska vzduchoveho okoli wkon=(-250e-3)+(jj20e-3) poloha kontaminantu na ose X tvorba geometrickych bodu nerezoveho krytu K1022589e-30 K2022185e-30 K3-7907e-321208e-30 K4-78e-32085e-30 K57907e-321208e-30 K678e-32085e-30 K7-wsshss0 K8-wss+tsshss-tss0 K9wsshss0 K10wss-tsshss-tss0 K11-wss-hss0 K12-wss+tss-hss+tss0 K13wss-hss0 K14wss-tss-hss+tss0 vytvoreni ploch definovanymi body FLST273 FITEM27 FITEM23 FITEM21 FITEM25 FITEM29 FITEM213 FITEM211 AP51X FLST273 FITEM28 FITEM24 FITEM22 FITEM26 FITEM210 FITEM214 FITEM212 AP51X CYL40h2r1 plocha horniho Tx vodice CYL40-h2r1 ploch dolniho Tx vodice BLC50((h2)+hrx)2100e-310e-3 plocha horniho vzduchoveho okoli Tx vodice BLC50-((h2)+hrx)2100e-310e-3 plocha dolniho vzduchoveho okoli Tx vodice BLC5002wsshd plocha detekcniho ootvoru APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch odstraneni ploch ktere budou sjednoceny se vzduchovym okolim
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
2
FLST255ORDE4 FITEM210 FITEM2-12 FITEM215 FITEM218 ADELEP51X BLC500wokhok vytvoreni plochy vzduchoveho okoli APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch CYL4wkon0r2 vytvoreni plochy kontaminantu APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch konec tvorby geometrickeho modelu
72 Definice element ů materiaacutel ů a jejich p řiřazeniacute k plochaacutem definovani materialu MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX11 material 1 Tx permeabilita 1 MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX21 material 2 Air permeabilita 1 MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX31008 material 3 nerezovy kryt SS ANSI 304 permeabilita MPTEMP MPTEMP10 MPDATARSVX372e-7 material 3 nerezoovy kryt SS Ansi 304 rezistivita MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX4400 material 4 Kontaminant permeabilita MPTEMP MPTEMP10 MPDATARSVX4102e-7 material 4 Kontaminant rezistivita definovani elementu ET153 Tx civky ET253 Vzduch ET353 nerezovy kryt ET453 kontaminant nastaveni elementu KEYOPT110 Tx civky KEYOPT120 KEYOPT130 KEYOPT140 KEYOPT150 KEYOPT170 KEYOPT210 Air KEYOPT220 KEYOPT230 KEYOPT240 KEYOPT250 KEYOPT270 KEYOPT310 SS KEYOPT320 KEYOPT330 KEYOPT340 KEYOPT350
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
3
KEYOPT370 KEYOPT410 kontaminant KEYOPT420 KEYOPT430 KEYOPT440 KEYOPT450 KEYOPT470 prirazeni elementu a materialum k plocham FLST525ORDE2 Tx FITEM58 FITEM5-9 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 1 1 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 FLST535ORDE3 Air FITEM53 FITEM516 FITEM5-17 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 2 2 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 FLST525ORDE2 SS FITEM513 FITEM5-14 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 3 3 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 CM_YAREA kontaminant ASEL 1 CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 4 4 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
4
73 Siacuteťovaacuteniacute oblastiacute FLST275ORDE7 FITEM21 FITEM28 FITEM2-9 FITEM213 FITEM2-14 FITEM216 FITEM2-17 AESIZEP51X00005 nastaveni delky steny elementu 00005 m FLST215ORDE1 FITEM23 AESIZEP51X001 nastaveni delky steny elementu 001 m MSHAPE12D nastaveni 2D trojuhelnikove site MSHKEY0 FLST585ORDE8 FITEM51 FITEM53 FITEM58 FITEM5-9 FITEM513 FITEM5-14 FITEM516 FITEM5-17 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CHKMSHAREA CMSELS_Y AMESH_Y1 spusteni automatickeho sitovani CMDELE_Y CMDELE_Y1 CMDELE_Y2
74 Okrajovaacute podmiacutenka a nastaveniacute budiciacuteho pr ůběhu okrajova podminka FLST244ORDE4 FITEM214 FITEM212 FITEM27 FITEM25 DLP51X AZ0 nastaveni zatizeni parametry budici proudove hustoty f=35e3 frekvence signalu [Hz] part=600 pocet kroku signalu T_min=0 pocatek casove osy T_max=1f konec casove osy dt=T_maxpart casovy krok parametry prudove hustoty pi=4atan(1) s=pir12 I=600sqrt(2) N1=1 J1_a=IN1s definovani vzestupne casti pulsu tau=3 DIMJexTABLE5011timeJ Jex(11)=0
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
5
Jex(10)=0 doi2501 Jex(i1)=(J1_a)(1-exp(-itau)) Jex(i0)=(i) enddo definovani sestupne casti pulsu tau=3 DIMJex1TABLE5011timeJ Jex1(11)=J1_a Jex1(10)=0 doi2501 Jex1(i1)=(J1_a)(exp(-itau)) Jex1(i0)=(i) enddo sestaveni celeho pulsu DIMJex2TABLE10011timeJ Jex2(11)=0 Jex2(10)=0 doi2501 Jex2(i1)=Jex(i1) Jex2(i0)=(i) enddo doi511001 Jex2(i1)=Jex1(i-501) Jex2(i0)=(i) enddo priprava nulovych vektoru kladneho a zaporneho prubehu J DIMJ1TABLE60011timeJ DIMmJ1TABLE60011timeJ doi16001 J1(i0)=(i-1)dt time J1(i1)=0 J mJ1(i0)=(i-1)dt time mJ1(i1)=0 -J enddo vlozeni prvniho pulsu doi11001 J1(i1)=Jex2(i1) mJ1(i1)=-Jex2(i1) enddo vlozeni druheho pulsu doi3004001 J1(i1)=-Jex2(i-3001) mJ1(i1)=Jex2(i-3001) enddo prirazeni prubehu k plocham PREP7 FLST215ORDE1 FITEM28 BFAP51XJSJ1 FLST215ORDE1 FITEM29 BFAP51XJSmJ1
75 Nastaveniacute analyacutezy SOL prepnuti do Solution modu - nastaveni analyzy kroku=300 pocet kroku simulace ANTYPE4 TRNOPTFULL
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
6
NSUBSTkroku00 OUTRESERASE OUTRESALL1 TIMET_max solve spusti vypocet ulohy
76 Postprocessing POST1 prepne do Preprocesing modu krokyb=200 pocet kroku na delku coilgapu L=03 delka Rx snimace hrx1=(h2)+10e-3 jednotlive vyskove pozice Rx vinuti hrx2=(h2)+526e-3 hrx3=(h2) hrx4=((h2)-526e-3) hrx5=((h2)-10e-3) vytvoreni pole hodnot - 10 sloupcu x 300 radku sloupce odpovidaji poctu jednotlivych civek 2x5 (5 poloh horni a dolni civka) DIMTOKTABLEkroku101SUBSTEP TOK(00)=0 TOK(01)=0 TOK(02)=0 TOK(03)=0 TOK(04)=0 TOK(05)=0 TOK(06)=0 TOK(07)=0 TOK(08)=0 TOK(09)=0 TOK(010)=0 dok1kroku1 hlavni cyklus pocet cyklu odpovida poctu kroku analyzy APPEND 1 k nacteni k-teho kroku analyzy tato cast kodu je nutna pro kazdou civku zvlast (10x se opakuje) PATHHORNI26krokyb-1 definovani cesty horni civky PPATH10-c2hrx10 levy koncovy bod PPATH20c2hrx10 pravy koncovy bod PDEF BYAVG namapovani Y-slozky magneticke indukce B PCALCINTGINT_HORBYXGL vypocet integralu z By podle dX PBCPATH 0 PAGETHORNI1_TABL ulozeni hodnot ziskanych na definovane ceste do pole HORNI1_ PADELALL smazani cesty i s hodnotamy (pole HORNI1_ zustava) konec opakujici se casti prirazovani posledni hodnoty integralu do prislusneho pole vysledku TOK(k0)=k casova osa TOK(k1)=HORNI1_(krokyb6) TOK(k2)=DOLNI1_(krokyb6) TOK(k3)=HORNI2_(krokyb6) TOK(k4)=DOLNI2_(krokyb6) TOK(k5)=HORNI3_(krokyb6) TOK(k6)=DOLNI3_(krokyb6) TOK(k7)=HORNI4_(krokyb6) TOK(k8)=DOLNI4_(krokyb6) TOK(k9)=HORNI5_(krokyb6) TOK(k10)=DOLNI5_(krokyb6) DELPRM_ smaze vsechny pole vysledku koncici znakem _ enddo konec cyklu zapis_tok odkaz na skript pro zapsani pole vysledku do souboru txt
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
7
77 Makro Vyacutepis makra ktereacute uklaacutedaacute hodnoty do souboru tok_fitxt
MWRITETOK(111)tok_fitxt vytvori soubor tok_fitxt a ulozi do
nej matici vysletku TOK
(10E135) urcuje format zapisu hodnot - 10
sloupcu cisel o celkove delce 13ti
znaku z toho 5 za desetinou teckou
CFCLOS uzavre soubor
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
8
Eviden čniacute list
Souhlasiacutem s tiacutem aby moje bakalaacuteřskaacute praacutece byla půjčovaacutena k prezenčniacutemu studiu v
Univerzitniacute knihově ZČU v Plzni
Datum Podpis
Uživatel stvrzuje svyacutem čitelnyacutem podpisem že tuto bakalaacuteřskou praacuteci použil ke studijniacutem
uacutečelům a prohlašuje že ji uvede mezi použityacutemi prameny
Jmeacuteno Fakultakatedra Datum Podpis
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
20
odpoviacutedajiacuteciacute připojeneacutemu napětiacute UTX viz obr 34 Vyacutekon detektoru je tedy řiacutezen časovyacutem
posunem mezi průběhy napětiacute U1 a U2 Tomuto časoveacutemu posuvu pak odpoviacutedaacute i velikost
odebiacuteraneacuteho proudu do Tx vinutiacute
-12
-8
-4
0
4
8
12
16U1 (V)
-12
-8
-4
0
4
8
12
16U2 (V)
000E+00 100E-05 200E-05 300E-05 400E-05 500E-05 600E-05
Čas (s)
I (A)
Obr 34 Časově posunutaacute napětiacute U1 U2 přivaacuteděnaacute na vyacutevody Tx vinutiacute a průběh proudu I v Tx vinutiacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
21
33 Přijiacutemaciacute čaacutest - Rx Zaacutekladem přijiacutemaciacute čaacutesti je soustava složenaacute ze dvou paralelně spojenyacutech Rx ciacutevek
podle obr 35 každaacute se dvěma zaacutevity U tohoto uspořaacutedaacuteniacute hraje důležitou roli smysl vinutiacute
Rx ciacutevek (označeniacute počaacutetku a konce vinutiacute) a jejich přesnaacute poloha Tx musiacute prochaacutezet přesně
v jedneacute polovině vzdaacutelenosti l
Obr 35 Geometrickeacute uspořaacutedaacuteniacute je voleno tak že pokud neprochaacuteziacute detektorem kontaminant napětiacute
indukovaneacute napaacutejenou ciacutevkou Tx do Rx ciacutevek je minimaacutelniacute
Jak bylo řečeno v kapitole 32 pro detekci kovu je podstatneacute elektromagnetickeacute pole
Elektrickeacute pole je odstraněno na primaacuterniacutem vinutiacute vstupniacuteho transformaacutetoru TR s dvojityacutem
primaacuterniacutem vinutiacutem zapojenyacutem proti sobě v poměru k sekundaacuterniacutemu vinutiacute 1+130 umiacutestěnyacutem
na Rx boardu Na obraacutezku 36 je zapojeniacute vstupniacuteho obvodu Rx boardu Elektrickaacute složka
pole maacute vůči zemi na obou vyacutevodech Rx ciacutevek stejnyacute průběh Primaacuterniacute vinutiacute TR maacute
vyvedenyacute střed na zem čiacutemž se elektrickaacute složka pole uzemniacute (teče proud) Protože jsou
Rx1 ciacutevka
Rx2 ciacutevka
Tx ciacutevka
l
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
22
průběhy na obou vyacutevodech stejneacute magnetickeacute toky v TR vyvolaneacute proudem působiacute proti sobě
a na sekundaacuterniacute vinutiacute se neindukuje žaacutedneacute napětiacute Dojde-li k narušeniacute magnetickeacuteho pole
uvnitř detekčniacuteho prostoru vznikaacute rozdiacutel naindukovaneacuteho napětiacute v leveacutem a praveacutem vodiči Rx
ciacutevky Tento rozdiacutel napětiacute maacute za naacutesledek tok proudu kteryacute se uzaviacuteraacute přes primaacuterniacute vinutiacute
TR1 a indukuje napětiacute na sekundaacuterniacute straně Toto napětiacute je daacutele zpracovaacutevaacuteno
Obr 36 Vstupniacute obvod Rx boardu
34 Princip vyhodnocovaacuteniacute Signaacutel na sekundaacuterniacutem vinutiacute transformaacutetoru TR je zpracovaacutevaacuten blokem obvodů pro
uacutepravu signaacutelu Ten obsahuje aktivniacute filtr a integračniacute člen s niacutezko-šumovyacutem operačniacutem
zesilovačem Za integračniacutem členem je měřiciacute bod kteryacute je využit při oživovaacuteniacute detektorů
Napětiacute Ub (balance signal) v tomto bodě se zobrazuje na osciloskopu a jeho maximaacutelniacute
hodnota by neměla přesaacutehnout 6 V špička - špička Čiacutem je rozkmit toho napětiacute nižšiacute tiacutem lze
dosaacutehnout vyššiacute citlivosti detektoru (kap 35 Vyvažovaacuteniacute detektoru) Nuloveacuteho rozkmitu
nelze dosaacutehnout mimo jineacute kvůli vyacuterobniacutem toleranciacutem zařiacutezeniacute a nehomogenitaacutem Citlivost
elektronickyacutech čaacutestiacute je velmi vysokaacute a uplatňujiacute se rušiveacute vlivy při jejich činnosti (vliv
teploty mechanickeacute chvěniacute) Napětiacute Ub odpoviacutedaacute vyrovnaacutevaciacutemu proudu v Rx ciacutevkaacutech
Přiacuteklad jeho průběhu bez kontaminantu je na obr 37
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
23
Obr 37 Přiacuteklad průběhu napětiacute Ub
Napětiacute Ub je přivaacuteděno na dva samostatneacute elektronickeacute obvody (řiacutezeneacute usměrňovače)
ovlaacutedaneacute řiacutediacuteciacutemi napětiacutemi z mikrokontroleru (na Tx boardu) Dvě řiacutediacuteciacute napětiacute jednoho
usměrňovače jsou vůči sobě o π posunuty a zaacuteroveň jsou posunuty o π2 proti dvěma řiacutediacuteciacutem
napětiacutem druheacuteho usměrňovače Vyacutesledkem jsou dva napěťoveacute signaacutely (P a Q) ktereacute jsou daacutele
zpracovaacutevaacuteny (integrace zesiacuteleniacute) s možnostiacute ručniacute volby zesiacuteleniacute ve čtyřech stupniacutech
(ovlaacutedaacuteniacute citlivosti detektoru) Tyto signaacutely jsou již nositelem informace a jsou na Control
boardu převedeny do digitaacutelniacute podoby Takto upraveneacute signaacutely jsou vyhodnocovaacuteny
algoritmy v hlavniacutem mikrokontroleru
35 Vyvažovaacuteniacute detektoru Zaacutekladem kvalitniacute a stabilniacute detekce je ciacutevkovyacute systeacutem Aby se dosaacutehlo co nejlepšiacuteho
vyvaacuteženiacute ciacutevek je nutnaacute přesnaacute bytelnaacute a rozměrově staacutelaacute konstrukce Detektory společnosti
Loma Systems sro majiacute ciacutevky uloženeacute ve vyfreacutezovanyacutech draacutežkaacutech a zajištěneacute epoxidovyacutem
lepidlem I přes to je detektor po osazeniacute elektronikou značně nevyvaacuteženyacute balančniacute napětiacute Ub
překračuje požadovanou hodnotu 6 V špička - špička natolik že může dojiacutet i k saturaci
elektronickyacutech obvodů Je tedy nutneacute ciacutevkovyacute systeacutem vyvaacutežit (vybalancovat)
Nejprve se provede hrubeacute laděniacute spočiacutevajiacuteciacute v tvarovaacuteniacute maleacute smyčky Tx vinutiacute v čele
detektoru obr 38
0 T2 T
25 V Ub
-25 V
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
24
Obr 38 Vyvažovaciacute očko na Tx vinutiacute a vlepenyacute pliacutešek uvnitř detekčniacuteho otvoru
Tato smyčka plniacute funkci kompenzačniacuteho vinutiacute po natvarovaacuteniacute je očko zaliteacute epoxidovyacutem
lepidlem U detektorů s vnitřniacute uacutepravou detekčniacuteho otvoru modryacutem epoxidem se do
detekčniacuteho otvoru daacutele vlepujiacute vyvažovaciacute pliacutešky různyacutech tvarů a velikostiacute (od 1 cm2 do 4
cm2) obr 38 ktereacute se naacutesledně zalijiacute do roviny modryacutem epoxidem Jako materiaacutel
vyvažovaciacutech pliacutešků je použita nerezovaacute ocel ANSI 304 (DIN 14301) tloušťky 2 mm Druhyacute
typ detektorů s odolnyacutem plastovyacutem povrchem (typ US) neumožňuje vlepovaacuteniacute pliacutešků
dovnitř detekčniacuteho otvoru Balancovaacuteniacute se tedy provaacutediacute přesnějšiacutem tvarovaacuteniacutem Tx očka
popřiacutepadě vlepovaacuteniacutem pliacutešků v jeho okoliacute
Pro jemneacute doladěniacute se u obou těchto variant (US typ a klasickyacute s modrou epoxidovou
vyacuteplniacute detekčniacuteho otvoru) osazujiacute balančniacute moduly obr 39 ktereacute na plastoveacutem otočneacutem diacutelu
majiacute tuning block o rozměrech cca 05 cm2 z 5 mm tlusteacuteho nerezu Oba balančniacute moduly
umožňujiacute pohyb tuning blocku v okoliacute vyvažovaciacuteho očka
Obr 39 Balančniacute moduly i s kryciacutemi plechy vlevo US vpravo klasickyacute
Tyto moduly nejsou přiacuteliš efektivniacute a sloužiacute pouze k miacuterneacutemu vyvaacuteženiacute Použiacutevajiacute se dva typy
Tuning block
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
25
těchto modulů podle varianty vnitřniacute vyacuteplně detektoru (US typ a klasickyacute s modrou
epoxidovou vyacuteplniacute detekčniacuteho otvoru) Jedniacutem z přijatyacutech naacutevrhů pro vylepšeniacute detektorů s
modrou epoxidovou vyacuteplniacute je použitiacute stejneacuteho balančniacuteho modulu jako u detektoru typu US
Vyacuterobniacute cena US balančniacuteho modulu je podstatně nižšiacute a umožňuje změnu polohy
vyvažovaciacuteho diacutelu nejen po obvodu kružnice ale i změnu vzdaacutelenosti mezi rovinami očka a
tuning bloku Změna teacuteto vzdaacutelenosti se využije v přiacutepadě kdy po osazeniacute detektoru s modrou
epoxidovou pryskyřiciacute balančniacutem modulem dojde ke zhoršeniacute vyvaacuteženiacute ktereacute pouhyacutem
natočeniacutem po kružnici nelze vykompenzovat Použiacutevaacuteniacutem pouze balančniacuteho modulu typu
US by se dosaacutehlo sniacuteženiacute počtu součaacutestek ve vyacuterobniacutem procesu sniacuteženiacute naacutekladů na vyacuterobu
detektoru s modrou epoxidovou vyacuteplniacute detekčniacuteho prostoru a odstranil by se i probleacutem
vznikajiacuteciacute při osazeniacute těchto detektorů balančniacutemi moduly
Dalšiacute naacutevrh se tyacutekal materiaacutelu použiteacuteho na tuning block Snahou bylo zvyacutešit vliv
tuning bloku natolik aby bylo možneacute vynechat kompenzačniacute očko čiacutemž by došlo k urychleniacute
laděniacute Byly testovaacuteny materiaacutely FeNi47ln5 tloušťky 03 mm a FeNi42 tloušťky 04 mm Byl
zvolen tvar kteryacute umožňoval použitiacute staacutevajiacuteciacutech US modulů obr 310 Vliv tuning blocků
se sice zvyacutešil nicmeacuteně ne natolik aby mohlo byacutet vyvažovaciacute očko zcela vynechaacuteno
Obr 310 Prototypy tuning blocků z novyacutech materiaacutelů
36 Vyacutestupniacute kontrola Před samotnou expediciacute detektoru je nutneacute proveacutest kontrolu detekce Kvalita detekce
je ověřovaacutena třemi typy kontaminantů neželeznyacute - NONFE (mosaz) železnyacute - FE (chromovaacute
ocel) a nerezovyacute - SS (ANSI 304) K tomu jsou určeny přiacutepravky na obr 311 a 312 Jednaacute
se o kuličky definovanyacutech průměrů ktereacute jsou zaliteacute v plastovyacutech tyčinkaacutech opatřenyacutech
rozměrovou specifikaciacute kontaminantu Barva tyček odlišuje použityacute typ kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
26
Obr 311 Testovaciacute vzorky pro dopravniacutekoveacute detektory
Obr 312 Testovaciacute vzorky pro farmaceutickeacute detektory
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
27
4 Optimalizace a stiacuten ěniacute detektoru Jedniacutem z bodů teacuteto praacutece je navrženiacute optimalizaciacute průmysloveacuteho detektoru kovu z
hlediska kvality detekce a vyšetřeniacute elektromagnetickeacuteho pole s ohledem na rušiveacute vlivy Z
počaacutetku byly provaacuteděny pokusy se stiacuteněniacutem ciacutevek s ohledem na rušeniacute vnějšiacutem
elektromagnetickyacutem polem Prvniacute uacutevahy vedly k použitiacute stiacuteniacuteciacuteho materiaacutelu s velkou
permeabilitou kteryacute by do sebe soustředil většiacute množstviacute indukčniacutech čar unikajiacuteciacutech do okoliacute
a tiacutem omezil vnějšiacute rušeniacute Na zaacutekladě teacuteto uacutevahy byly testovaacuteny dva materiaacutely FeNi47ln5
tloušťky 03 mm a FeNi42 tloušťky 04 mm ktereacute mohou dosahovat relativniacute permeability až
micror_12106 [5] Těmito pokusy se sice sniacutežilo množstviacute indukčniacutech čar magnetickeacuteho pole
unikajiacuteciacuteho z detektoru ale vlivem přiacuteliš velkeacute permeability bylo ovlivněno i pole uvnitř
detekčniacuteho prostoru kde došlo ke sniacuteženiacute citlivosti Tento naacutevrh měl dalšiacute negativniacute faktory
jako je vysokaacute cena použityacutech materiaacutelů a omezeneacute vyacuterobniacute možnosti nedostačujiacuteciacute šiacuteřkou
paacutesů což by vedlo ke sklaacutedaacuteniacute plechů vedle sebe a tiacutem ke vzniku nehomogenit
Aby byly optimalizace efektivniacute je třeba znaacutet rozloženiacute elektromagnetickeacuteho pole
uvnitř detektoru a vlivy ktereacute na něj působiacute Proto bylo přistoupeno k využitiacute počiacutetačoveacuteho
softwaru Ansys Jednaacute se o profesionaacutelniacute software založenyacute na metodě konečnyacutech prvků Je
určen předevšiacutem pro simulace mechanickeacuteho namaacutehaacuteniacute ale umožňuje i řešeniacute teplotniacutech
elektromagnetickyacutech a sdruženyacutech poliacute [6] Ansys byl vybraacuten předevšiacutem pro možnost řešeniacute i
3D probleacutemů V teacuteto praacuteci bylo z důvodů vyacutepočetniacute naacuteročnosti a velkeacuteho množstviacute
jednotlivyacutech vyacutepočtů přistoupeno k řešeniacute probleacutemu pouze ve dvourozměrneacutem prostoru V
tomto přiacutepadě je řešeno nestacionaacuterniacute magnetickeacute pole ktereacute popisuje rovnice (41) [7]
( ) extr JArotdt
dABArotrot =timesminus+
minus γυγmicro1
(41)
kde
BArot = (42)
A magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel
micro permeabilita
Br remanentniacute indukce
B magnetickaacute indukce
γ měrnaacute elektrickaacute vodivost
ν rychlost pohybu tělesa v magnetickeacutem poli
Jext vektor vnějšiacute proudoveacute hustoty
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
28
41 Vyšet řovaacuteniacute vlivu pozice Rx vinutiacute Nejprve byly provedeny simulace staacutevajiacuteciacuteho zařiacutezeniacute o rozměrech detekčniacuteho otvoru
150 mm x 350 mm Zaacutekladniacute geometrie probleacutemu je na obraacutezku 41 Pro řešeniacute zaacutekladniacuteho
probleacutemu by bylo možneacute použiacutet symetrii modelu pokud však model doplniacuteme o kontaminant
možnost teacuteto symetrie odpadaacute Byly provedeny tři seacuterie vyacutepočtů ktereacute se lišily materiaacutelem
kontaminantu Každaacute seacuterie se sklaacutedala z 24 samostatnyacutech vyacutepočtů ve kteryacutech se postupně
měnila pozice kontaminantu tak jako je tomu při skutečneacute situaci na dopravniacutem paacutesu
Použityacutem APDL skriptem by bylo možneacute řešit i průchody kontaminantu v různyacutech vyacuteškaacutech
detekčniacuteho otvoru Pro potřeby těchto vyacutepočtů byl průchod zvolen středem jelikož je zde
citlivost detektoru nejnižšiacute Nutno poukaacutezat na skutečnost že kontaminant reprezentovanyacute
kružniciacute v řezu detektoru nelze považovat za kulovyacute nyacutebrž za vodič kruhoveacuteho průřezu
stejneacute deacutelky jako Tx respektive Rx vinutiacute Rozmeziacute pohybu kontaminantu bylo od -230 mm
do 230 mm vůči Tx vinutiacute s krokem 20 mm Obdeacutelniacuteky v okoliacute Tx vinutiacute byly vytvořeny za
uacutečelem možnosti zjemněniacute vyacutepočetniacute siacutetě v prostoru Tx a Rx vinutiacute Na obraacutezku 41 nejsou
namodelovaacuteny Rx ciacutevky neboť hodnota naindukovaneacuteho napětiacute byla ziacuteskaacutevaacutena v pěti
různyacutech vyacuteškovyacutech poziciacutech a bylo hodnoceno indukovaneacute napětiacute Ui
Obr 41 Zaacutekladniacute geometrie
nerezovyacute kryt
vodiče Tx vinutiacute
kontaminant
obdeacutelniacuteky vzduchoveacuteho okoliacute s jemnějšiacute vyacutepočetniacute siacutetiacute střed souřadneacuteho
systeacutemu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
29
411 Preprocessing - p řiacuteprava skriptu Nejprve bylo nutneacute zjistit geometrickeacute rozměry a materiaacuteloveacute konstanty zkoumaneacuteho
detektoru Geometrickeacute rozměry byly ziacuteskaacuteny z databaacuteze Solidworks modelů společnosti
Loma Systems sro V kapitole 71 je uacuteryvek APDL skriptu pro tvorbu geometrie
Materiaacutely použiteacute v modelu jsou vzduch vodiče Tx vinutiacute nerezovyacute obal detektoru a
materiaacutely kontaminantů V raacutemci zjednodušeniacute modelu nebyly uvažovaacuteny PVC izolace Tx
vinutiacute samotneacute Tufneloveacute jaacutedro a materiaacutel s niacutemž je prostor mezi jaacutedrem a nerezovyacutem
krytem vyplněn neboť tyto materiaacutely vykazujiacute z pohledu šiacuteřeniacute elektromagnetickeacuteho pole
stejneacute vlastnosti jako vzduch Konkreacutetniacute hodnoty materiaacutelovyacutech konstant viz tabulka 41
odpor Tx vinutiacute nebyl uvažovaacuten neboť jeho plochy byly zatiacuteženy definovanou proudovou
hustotou tudiacutež neniacute možneacute uvažovat přiacutepadně naindukovaneacute viacuteřiveacute proudy Daacutele bylo nutneacute
zvolit a spraacutevně nastavit použiteacute elementy modelu
Tab 41 Materiaacuteloveacute vlastnosti
měrnaacute
permeabilita [-] měrnyacute elektrickyacute
odpor [Ωm]
vzduch 1 -
Tx vinutiacute 1 -
nerezovaacute ocel (ANSI 304 DIN 14301)
1008 [10] 72010-7
neželeznyacute kontaminant (mosaz)
1 75010-8
železnyacute kontaminant (chromovaacute ocel)
400 12010-7
nerezovyacute kontaminant (ANSI 304 DIN 14301) 1008 72010-7
Jako elementy daneacuteho modelu byly zvoleny elementy PLANE53 určeneacute pro řešeniacute
magnetickeacuteho pole Jednaacute se o osmi uzloveacute elementy ktereacute mohou miacutet až čtyři stupně
volnosti na uzel Stupně volnosti mohou byacutet magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel (AZ) časově
integrovanyacute elektrickyacute skalaacuterniacute potenciaacutel (VOLT) elektrickyacute proud (CURR) a
elektromotorickaacute siacutela (EMF) [6] Geometrie elementu na obr 42
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
30
Obr 42 Geometrie elementu PLANE53 [6]
Uacuteryvek koacutedu v kapitole 72 obsahuje definovaacuteniacute materiaacutelovyacutech vlastnostiacute definovaacuteniacute
elementů a jejich nastaveniacute V dalšiacute časti bylo nutneacute jednotliveacute materiaacutely a elementy přiřadit
danyacutem plochaacutem
Daacutele bylo zapotřebiacute nastavit atributy pro automatickeacute siacuteťovaacuteniacute oblasti Je nutneacute aby v
tenkyacutech a malyacutech plochaacutech byla vyššiacute hustota siacutetě než na velkyacutech plochaacutech kde postačuje siacuteť
řidšiacute Velmi důležitaacute je kompatibilita siacutetě proto byla v okoliacute Tx vodičů vytvořena
obdeacutelniacutekovaacute oblast s hustšiacute siacutetiacute viz uacuteryvek koacutedu v přiacuteloze 73
Obr 43 Detailniacute pohled na siacuteť elementů
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
31
V posledniacute čaacutesti preprocessingu byla definovaacutena Dirichletova okrajovaacute podmiacutenka
udaacutevajiacuteciacute magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel roven nule na vnějšiacute hrany vzduchoveacuteho okoliacute a
průběh budiacuteciacute proudoveacute hustoty v Tx vodičiacutech V horniacutem a dolniacutem vodiči měly toky opačnyacute
smysl proto bylo nutneacute vytvořit dva vektory hodnot J1 (obr 44) a mJ1 V posledniacute řadě bylo
provedeno přiřazeniacute průběhů k plochaacutem viz kapitola 74
Obr 44 Průběh proudoveacute hustoty v ploše Tx vodiče
Ansys byl do Solution modu přepnut přiacutekazem SOL kde se provedlo nastaveniacute
analyacutezy a byl spuštěn vyacutepočet viz kapitola 76
412 Postprocessing - ziacuteskaacutevaacuteniacute vyacutesledk ů Ciacutelem teacuteto čaacutesti bylo zjištěniacute průběhů naindukovanyacutech napětiacute Ui v zaacutevislosti na čase
pro různeacute vyacuteškoveacute pozice přijiacutemaciacutech ciacutevek Rx Pro indukovaneacute napětiacute platiacute vztah
( )Vndt
dU i sdotΦminus= (43)
kde
( )TdxBlx
x
Yint sdotsdot=Φ2
1
(44)
n počet zaacutevitů Rx vinutiacute
l deacutelka Rx vinutiacute ve směru osy Z
x1 a x2 šiacuteřka Rx vinutiacute ve směru osy X
BY složka magnetickeacute indukce v ose Y
Zadaacuteniacutem souřadnic dvou bodů se nadefinovala uacutesečka (cesta) na kterou byly s určityacutem
J (Am-2)
kroky vyacutepočtu (-)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
32
krokem zaznamenaacuteny hodnoty magnetickeacute indukce BY Průběh BY v zaacutevislosti na souřadnici X
je na obr 45
Obr 45 Průběh magnetickeacute indukce BY v zaacutevislosti na souřadnici X
Obr 46 Průběh magnetickeacuteho toku Φ v zaacutevislosti na souřadnici X
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
33
Integrovaacuteniacutem průběhu BY se ziacuteskal průběh magnetickeacuteho indukčniacuteho toku Φ obr 46
Magnetickyacute indukčniacute tok Φ je roven určiteacutemu integraacutelu (rovnice 44) průběhu BY obr 45 Z
toho vyplyacutevaacute že magnetickyacute indukčniacute tok je roven posledniacute hodnotě průběhu na obr 46
Tato hodnota se vynaacutesobila deacutelkou Rx vinutiacute Postup vyacutepočtu se opakoval pro všechny pozice
Rx vinutiacute a to v každeacutem kroku transientniacute analyacutezy Tiacutem se ziacuteskala zaacutevislost magnetickeacuteho
indukčniacuteho toku Φ na čase t V programu MS Excel se vynaacutesobil tok počtem zaacutevitů Rx vinutiacute
a byla provedena derivace podle času (rovnice 43) Takto byly zpracovaacuteny vyacutesledky pro
všechny pozice kontaminantu vůči Tx vinutiacute APDL skript pro ziacuteskaacutevaacuteniacute hodnot viz kapitola
76 a v kapitole 77 je vyacutepis makra ktereacute uklaacutedaacute hodnoty do souboru
413 Hodnoceniacute vyacutesledk ů Vypočteneacute hodnoty Ui ve všech pěti vyacuteškovyacutech poziciacutech hrx byly vyneseny do grafů v
zaacutevislosti na čase Pokud se vynesou do jednoho grafu průběhy indukovanyacutech napětiacute pro
každou pozici kontaminantu v daneacute vyacutešce lze sledovat odezvu indukovaneacuteho napětiacute na
polohu kontaminantu Jelikož byly provedeny tři seacuterie vyacutepočtů s různyacutemi kontaminanty lze
porovnat i tvary přijiacutemanyacutech signaacutelu pro jednotliveacute materiaacutely Ciacutelem teacuteto čaacutesti je porovnat
signaacutely ziacuteskaacutevaneacute v různyacutech vyacuteškovyacutech polohaacutech Rx vinutiacute a vybrat nejvhodnějšiacute signaacutel pro
detekci
Na naacutesledujiacuteciacutech grafech jsou znaacutezorněny napěťoveacute průběhy během jedneacute periody v
zaacutevislosti na poloze kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
34
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 47 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 48 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
35
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 49 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 410 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
36
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 411 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 5)
Na obraacutezciacutech 47 až 411 jsou zobrazeny průběhy odpoviacutedajiacuteciacute průchodu železneacuteho
kontaminantu s relativniacute permeablitou 400 a měrnyacutem elektrickyacutem odporem 10210-7 Ωm Na
průběziacutech 47 48 a 411 lze pozorovat sice nižšiacute hodnotu signaacutelu ale celkovaacute deformace
během průchodu kontaminantu je většiacute
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 412 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
37
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 413 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 414 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
38
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 415 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 416 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce5)
Na obraacutezciacutech 412 až 416 jsou zobrazeneacute průběhy odpoviacutedajiacuteciacute průchodu kontaminantu z
nerezu ANSI 304 s relativniacute permeablitou 1008 a měrnyacutem elektrickyacutem odporem 7210-7
Ωm Při porovnaacuteniacute s předchoziacutem kontaminantem je změna signaacutelu nižšiacute což odpoviacutedaacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
39
předpokladům o obtiacutežnějšiacute detekci nerezovyacutech kontaminantů
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 417 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 418 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
40
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 419 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 420 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
41
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 421 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 5)
Na obraacutezciacutech 417 až 421 jsou zobrazeny průběhy odpoviacutedajiacuteciacute neželezneacutemu
kontaminantu (mědi) s parametry relativniacute permeablita 1 a měrnyacute elektrickyacute odpor 7510-8
Ωm Průběh signaacutelu je velmi podobnyacute signaacutelům nerezoveacuteho kontaminantu
Porovnaacuteniacutem všech grafů (obr 47 - obr 422) je obecně vidět že u průběhů ve vyacutešce
3 a 4 je zisk signaacutelu pro všechny modelovaneacute kontaminanty největšiacute Dochaacuteziacute zde ale ke
změně amplitudy pouze v jednom smyslu což z hlediska vyhodnocovaciacutech algoritmů zlepšeniacute
detekce vylučuje Naproti tomu je u signaacutelu ve vyacutešce 5 znatelně vyššiacute amplituda než v
použiacutevaneacute vyacutešce 2 Na zaacutekladě tohoto zjištěniacute bude zhotoven prototyp detektoru za uacutečelem
ověřeniacute teoretickyacutech vyacutesledků
Na obraacutezku 422 je ukaacutezka grafickeacuteho vyacutestupu zobrazujiacuteciacuteho vektory proudoveacute
hustoty naindukovaneacute v nerezoveacutem krytu a v kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
42
Obr 422 Vektory proudovyacutech hustot naindukovanyacutech do kontaminantu a nerezoveacuteho krytu
Obraacutezek 423 zobrazuje kontury magnetickeacuteho pole ve stejneacutem časoveacutem kroku jako obr
422 Pole ktereacute je konturami zobrazeno je tvořeno praacutevě proudovou hustotou obr 422 Je
zde možneacute pozorovat jak se pole deformuje přiacutetomnyacutem kontaminantem
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
43
Obr 423 Kontury magnetickeacuteho vektoroveacuteho potenciaacutelu s viditelnou deformaciacute pole způsobenou
feromagnetickyacutem kontaminantem
42 Vyšet řovaacuteniacute množstviacute vyza řovaneacute energie V teacuteto čaacutesti se vychaacutezelo z předpokladu že intenzita elektromagnetickeacuteho pole uvnitř
detektoru je mnohem většiacute než elektromagnetickyacute šum kteryacute do detektoru vnikaacute z okoliacute
Proto lze předpoklaacutedat že rušeniacute bude způsobeno předevšiacutem deformaciacute vlastniacuteho
vyzařovaneacuteho pole v bliacutezkeacutem okoliacute detektoru To vede ke snaze snižovat množstviacute vlastniacuteho
vyzaacuteřeneacuteho pole ven z detektoru aby nemohlo byacutet deformovaacuteno okolniacutemi předměty
421 Řešeniacute probleacutemu Bylo porovnaacuteno pět variant detektorů bez průchodu kontaminantu Každaacute varianta se
řešila jedniacutem vyacutepočtem z čehož plyne malaacute časovaacute naacuteročnost a proto byly probleacutemy řešeny
bez využitiacute symetrie Prvniacute byl staacutevajiacuteciacute detektor o tloušťce kryciacuteho nerezoveacuteho plechu 3 mm
druhyacute byl stejneacute geometrie ale za použitiacute silnějšiacuteho 5 mm tlusteacuteho nerezu Třetiacute typ měl
tloušťku 3 mm ale na horniacute a dolniacute stěně bylo přidaacuteno dalšiacute stiacuteněniacute z nerezu ve tvaru T (obr
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
44
426) Posledniacute dva naacutevrhy měly pravouacutehlyacute tvar krytu celkově menšiacutech rozměrů z nichž jeden
byl jednoduchyacute o tloušťce 3 mm (obr 427) a druhyacute měl shora a zdola dvojiteacute dno z nerezu
tloušťky 3 mm (obr_428) Touto metodou by se dalo porovnaacutevat mnohem většiacute množstviacute
provedeniacute ktereacute by se mohly lišit i použityacutem materiaacutelem Vzduchoveacute okoliacute detektoru bylo
rozděleno na čtyři sektory v nichž se sečetly hodnoty magnetickeacute energie jednotlivyacutech
elementů v každeacutem kroku analyacutezy a tiacutem se ziacuteskal průběh množstviacute energie v daneacutem prostoru
na čase Objemovaacute hustota magnetickeacute energie byla zjišťovaacutena ve všech plochaacutech daneacute
geometrie a bylo možno sledovat jak se energie v čase přemisťuje
Obr 424 Geometrie varianty 3 mm
Obr 425 Geometrie varianty 5 mm
Obr 426 Geometrie varianty 3 mm-stineni
Obr 427 Geometrie varianty novy 1
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
45
Obr 428 Geometrie varianty novy 2
Přiacuteprava skriptů se od předchoziacutech vyacutepočtů lišila pouze v geometrii jinak byla
principiaacutelně stejnaacute Rozdiacutel byl však v čaacutesti post-processingu (ziacuteskaacutevaacuteniacute vyacutesledků) Aby bylo
možno přistupovat k jednotlivyacutem sektorům musel byacutet každyacute sektor definovaacuten vlastniacutem typem
elementů (elementy byly použity stejneacute jednaacute se pouze o čiacuteslovaacuteniacute) Byly použity osmkraacutet
elementy PLANE53
ET153 Tx vinuti ET253 prostor uvnitr detektoru ET353 nerezovy obal ET453 detekcni prostor ET553 vzduchove okoli - horni ET653 vzduchove okoli - pravy ET753 vzduchove okoli - dolni ET853 vzduchove okoli - levy
Přiacuteklad načiacutetaacuteniacute vyacutesledků pro jeden typ elementů
POST1 prepnutiacute do postprocesoru allsel oznaceni vsech elementu vytvoreni pole pro ukadani hodnot DIMenergie1TABLEkroku11timeE zapsani nulovych hodnot na zacatek vektoru vysledku energie1(00)=0 energie1(01)=0 cyklus ve kterem se nacitaji vysledky jednotlivych kroku simulace doi1kroku1 APPEND 1 i nacteni daneho kroku eseltype1 vybrani elementu typu 1 GET e_count1 ELEM count vraci mnozstvi elementu daneho typu GET e_next ELEM 0 NXTH vraci nejnizsi adresu elementu daneho typu v promenne e_next energ1=0 vynulovani promenne cyklus ktery postupne prochazi vsechy elementy daneho typu doj1e_count11 GET e_energ1 ELEM e_next SENE ulozi do promene e_energ1 mnozstvi energie v elementu s adresou e_next
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
46
GET e_next ELEM e_next NXTH posune adresu elementu o jedna energ1=energ1+e_energ1 pricte mnozstvi energie e_energ1 do kumulativni promnenne energ1 enddo konec vnitrniho cyklu energie1(i0)=i zapise do pole vysledku cislu jirju simulace energie1(i1)=energ1 zapise do pole vysledku mnozstvi energie v cele plose s elementy daneho typu enddo konec vnejsiho cyklu zapis_energ zavolani makra pro zapis vysledku do souboru
422 Hodnoceniacute vyacutesledk ů V jednotlivyacutech sektorech se provedla suma magnetickeacute energie pro každyacute krok
simulace Vyacutesledkem jsou průběhy množstviacute energie v daneacute ploše v zaacutevislosti na krociacutech
simulace (čase) Jednotliveacute varianty byly hodnoceny na zaacutekladě porovnaacuteniacute průběhů se
staacutevajiacuteciacutem detektorem
Energie v Tx vinutiacute
000E+00
100E-03
200E-03
300E-03
400E-03
500E-03
600E-03
700E-03
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 429 Energie v Tx vinutiacute
Na grafu (obr 429) je vidět že množstviacute energie v Tx vinutiacute neniacute zaacutevisleacute na geometrii a je
daacuteno budiacuteciacutem signaacutelem v Tx vinutiacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
47
Energie unit ř detektoru
000E+00
200E-02
400E-02
600E-02
800E-02
100E-01
120E-01
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 430 Energie uvnitř detektoru
Na obr 430 je znaacutezorněno množstviacute energie v prostoru detektoru do ktereacuteho neniacute
započiacutetaacutena detekčniacute oblast ta je zobrazena na obr 432 V teacuteto čaacutesti neniacute pozorovaacutena žaacutednaacute
vyacuteraznaacute změna
Energie v nerezoveacutem obalu
000E+00
500E-05
100E-04
150E-04
200E-04
250E-04
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 431 Energie v nerezoveacutem obalu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
48
Vyacuteraznějšiacute změny se odehraacutevajiacute v nerezoveacutem obalu Nejmenšiacute množstviacute energie je v klasickeacute
3 mm tlusteacute a v 5 mm tlusteacute variantě U klasickeacute varianty se stiacuteněniacutem a u novyacutech naacutevrhů je
naacuterůst způsoben přibliacuteženiacutem nerezu k Tx vinutiacute
Energie v prostoru detek čniacuteho otvoru
000E+00
500E-03
100E-02
150E-02
200E-02
250E-02
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 432 Energie v prostoru detekčniacuteho otvoru
V oblasti detekčniacuteho otvoru je snaha o uchovaacuteniacute co největšiacuteho množstviacute energie neboť
zmenšeniacute energie vede ke sniacuteženiacute odezvy na kontaminant tedy ke sniacuteženiacute citlivosti detektoru
Z obr 432 je patrneacute že geometrickeacute uacutepravy detektoru (3 mm se stiacuteněniacutem novy 1 a novy 2)
vedou ke sniacuteženiacute množstviacute energie v tomto prostoru
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
49
Energie v horniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
100E-07
200E-07
300E-07
400E-07
500E-07
600E-07
700E-07
800E-07
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 433 Energie v horniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Energie v dolniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
100E-07
200E-07
300E-07
400E-07
500E-07
600E-07
700E-07
800E-07
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 434 Energie v dolniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Porovnajiacute-li se obr 433 a 434 je u variant 1 - 3 možneacute pozorovat rozdiacutely mezi horniacute a dolniacute
plochou Je zde na prvniacute pohled vidět jak horniacute oblouk snižuje množstviacute energie unikajiacuteciacute do
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
50
okoliacute Jako uacutečinneacute se z pohledu těchto sektorů jeviacute varianta klasickeacuteho detektoru se stiacuteněniacutem a
novyacute naacutevrh s dvojityacutemi stěnami
Energie v praveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
500E-06
100E-05
150E-05
200E-05
250E-05
300E-05
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 435 Energie v praveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Energie v leveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
500E-06
100E-05
150E-05
200E-05
250E-05
300E-05
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 436 Energie v leveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
51
Pravyacute a levyacute sektor je z důvodů symetrie stejnyacute na obrazciacutech 435 a 436 lze pozorovat tzv
metal free zoacutenu kteraacute se u detektorů udaacutevaacute Jednaacute se o prostor před a za detekčniacutem otvorem
ve ktereacutem se nesmiacute nachaacutezet žaacutednyacute kovovyacute materiaacutel (z důvodu ovlivňovaacuteniacute pole) snahou je
tuto zoacutenu co nejviacutece zmenšit Z grafů je patrneacute že novyacute naacutevrh s dvojityacutemi stěnami vykazuje
nejmenšiacute množstviacute energie v teacuteto oblasti Naopak u klasickeacute varianty se stiacuteněniacutem došlo k
vytlačeniacute pole z vnitřku detektoru praacutevě do těchto okolniacutech zoacuten
Na zaacutekladě těchto poznatků bude provedeno ověřeniacute na skutečnyacutech zařiacutezeniacutech Mezi
použitelneacute varianty připadaacute klasickaacute konstrukce doplněnaacute o stiacuteněniacute a novyacute naacutevrh s dvojityacutemi
stěnami U toho je však velkaacute hrozba sniacuteženiacute citlivosti způsobeneacute menšiacutem množstviacutem energie
v detekčniacutem prostoru
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
52
5 Zaacutevěr Ciacutelem předklaacutedaneacute praacutece je zlepšeniacute činnosti detektorů kovů přiacutepadně uacuteprava
technologie vyacuteroby při současneacutem sniacuteženiacute vyacuterobniacutech naacutekladů Předpokladem uacutespěšnyacutech
naacutevrhů byla podrobnaacute studie činnosti a principu těchto zařiacutezeniacute kteraacute jsou vyacuterobcem po
několik let uacutespěšně prodaacutevaacutena na světovyacutech trziacutech
Na zaacutekladě těchto požadavků byly provedeny některeacute testy ktereacute měly ověřit
předpoklaacutedanaacute zlepšeniacute Nejširšiacute možnosti přinaacutešiacute modelovaacuteniacute magnetickeacuteho pole
průmyslovyacutech detektorů počiacutetačovou simulaciacute kteraacute je zatiacutem schopna řešit zadaneacute probleacutemy
v dvourozměrneacutem prostoru Nejčastěji řešeneacute probleacutemy jsou staacutele spojeny se zaacutekladniacutem
principem činnosti těchto zařiacutezeniacute tj vlivem a působeniacutem kontaminantu na
elektromagnetickeacute pole buzeneacute ciacutevkami uvnitř detektoru a nepřiacuteznivyacute vliv vnějšiacutech rušivyacutech
poliacute např při současneacute činnosti sousedniacutech detektorů Dalšiacutem zdrojem rušivyacutech magnetickyacutech
poliacute může byacutet i činnost a přiacutetomnost různyacutech elektrickyacutech zařiacutezeniacute probleacutem spojenyacute s
vhodnyacutem materiaacutelem a tvarem stiacuteněniacute těchto zařiacutezeniacute
Vzhledem k maximaacutelniacute citlivosti elektronickyacutech obvodů a požadovaneacute pečlivosti při
balancovaacuteniacute (vyvažovaacuteniacute) se vyskytuje probleacutem kteryacute souvisiacute se staacutelostiacute nastaveniacute detektoru
při mechanickeacutem otřesu přiacutepadně odstraněniacute změn ke kteryacutem dochaacuteziacute vlivem dopravy
Dalšiacutem plaacutenovanyacutem krokem je namodelovaacuteniacute probleacutemu v trojrozměrneacutem prostoru od
ktereacuteho je očekaacutevaacuteno zohledněniacute dalšiacutech vlivů a tiacutem zpřesněniacute samotneacuteho vyacutesledku
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
53
6 Použitaacute literatura [1] Internetoveacute straacutenky společnosti Loma Systems sro
httpwwwlomacom_czindexshtml
[2] Haacutejek J Jarchovskyacute Z Detektory kovů - naacutevod na stavbu nakladatelstviacute BEN Praha
2010
[3] Beneda L Detektory kovů bakalaacuteřskaacute praacutece ZČU Plzeň 2010
[4] Internetoveacute straacutenky společnosti Ad controls sro
httpwwwadcontrolsczdetektory_kovu_zakladni_pojmy
[5] KOVOHUTĚ ROKYCANY as COMTES FHT as MATEX sro Průběžnaacute
zpraacuteva k projektu FeNi - čj 1021207 - 32 za rok (2007 - 2009)
[6] Ansys Inc ANSYS HELP Release 130 Dokumentace k programu
[7] Karban P a kolektiv autorů Aplikace teoretickeacute elektrotechniky Skripta ZČU Plzeň
2011
[8] Benešovaacute Z Ulrych B Přiacuteručka pro použitiacute programů ve vyacuteuce teorie
elektromagnetickeacuteho pole Skripta ZČU Plzeň 1997
[9] Loma Systems sro Knowledge Base - Interniacute dokumentace společnosti
[10] Internetoveacute straacutenky společnosti Aerospace specification metals Inc
httpasmmatwebcomsearchSpecificMaterialaspbassnum=MQ304A
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
1
7 Přiacutelohy
71 Tvorba geometrie PREP7 prepnuti do rezimu preprocesingu jj=8 index polohy kontaminantu r1=05e-3 polomer Tx vodice 05 mm r2=15e-3 polomer kontaminantu 15 mm c=90e-3 sirka Rx civek h=1767e-3 vzdalenost mezi Tx vinutim hrx=(h2)+526e-3 zakladni vyskova poloha mezi Rx civkami hss=175e-3 vyska nerezoveho krytu wss=150e-3 sirka nerezoveho krytu tss=3e-3 tloustka nerezove steny hd=h-227e-3 vyska detekcniho otvoru wok=1000e-3 sirka vzduchoveho okoli hok=1000e-3 vyska vzduchoveho okoli wkon=(-250e-3)+(jj20e-3) poloha kontaminantu na ose X tvorba geometrickych bodu nerezoveho krytu K1022589e-30 K2022185e-30 K3-7907e-321208e-30 K4-78e-32085e-30 K57907e-321208e-30 K678e-32085e-30 K7-wsshss0 K8-wss+tsshss-tss0 K9wsshss0 K10wss-tsshss-tss0 K11-wss-hss0 K12-wss+tss-hss+tss0 K13wss-hss0 K14wss-tss-hss+tss0 vytvoreni ploch definovanymi body FLST273 FITEM27 FITEM23 FITEM21 FITEM25 FITEM29 FITEM213 FITEM211 AP51X FLST273 FITEM28 FITEM24 FITEM22 FITEM26 FITEM210 FITEM214 FITEM212 AP51X CYL40h2r1 plocha horniho Tx vodice CYL40-h2r1 ploch dolniho Tx vodice BLC50((h2)+hrx)2100e-310e-3 plocha horniho vzduchoveho okoli Tx vodice BLC50-((h2)+hrx)2100e-310e-3 plocha dolniho vzduchoveho okoli Tx vodice BLC5002wsshd plocha detekcniho ootvoru APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch odstraneni ploch ktere budou sjednoceny se vzduchovym okolim
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
2
FLST255ORDE4 FITEM210 FITEM2-12 FITEM215 FITEM218 ADELEP51X BLC500wokhok vytvoreni plochy vzduchoveho okoli APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch CYL4wkon0r2 vytvoreni plochy kontaminantu APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch konec tvorby geometrickeho modelu
72 Definice element ů materiaacutel ů a jejich p řiřazeniacute k plochaacutem definovani materialu MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX11 material 1 Tx permeabilita 1 MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX21 material 2 Air permeabilita 1 MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX31008 material 3 nerezovy kryt SS ANSI 304 permeabilita MPTEMP MPTEMP10 MPDATARSVX372e-7 material 3 nerezoovy kryt SS Ansi 304 rezistivita MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX4400 material 4 Kontaminant permeabilita MPTEMP MPTEMP10 MPDATARSVX4102e-7 material 4 Kontaminant rezistivita definovani elementu ET153 Tx civky ET253 Vzduch ET353 nerezovy kryt ET453 kontaminant nastaveni elementu KEYOPT110 Tx civky KEYOPT120 KEYOPT130 KEYOPT140 KEYOPT150 KEYOPT170 KEYOPT210 Air KEYOPT220 KEYOPT230 KEYOPT240 KEYOPT250 KEYOPT270 KEYOPT310 SS KEYOPT320 KEYOPT330 KEYOPT340 KEYOPT350
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
3
KEYOPT370 KEYOPT410 kontaminant KEYOPT420 KEYOPT430 KEYOPT440 KEYOPT450 KEYOPT470 prirazeni elementu a materialum k plocham FLST525ORDE2 Tx FITEM58 FITEM5-9 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 1 1 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 FLST535ORDE3 Air FITEM53 FITEM516 FITEM5-17 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 2 2 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 FLST525ORDE2 SS FITEM513 FITEM5-14 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 3 3 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 CM_YAREA kontaminant ASEL 1 CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 4 4 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
4
73 Siacuteťovaacuteniacute oblastiacute FLST275ORDE7 FITEM21 FITEM28 FITEM2-9 FITEM213 FITEM2-14 FITEM216 FITEM2-17 AESIZEP51X00005 nastaveni delky steny elementu 00005 m FLST215ORDE1 FITEM23 AESIZEP51X001 nastaveni delky steny elementu 001 m MSHAPE12D nastaveni 2D trojuhelnikove site MSHKEY0 FLST585ORDE8 FITEM51 FITEM53 FITEM58 FITEM5-9 FITEM513 FITEM5-14 FITEM516 FITEM5-17 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CHKMSHAREA CMSELS_Y AMESH_Y1 spusteni automatickeho sitovani CMDELE_Y CMDELE_Y1 CMDELE_Y2
74 Okrajovaacute podmiacutenka a nastaveniacute budiciacuteho pr ůběhu okrajova podminka FLST244ORDE4 FITEM214 FITEM212 FITEM27 FITEM25 DLP51X AZ0 nastaveni zatizeni parametry budici proudove hustoty f=35e3 frekvence signalu [Hz] part=600 pocet kroku signalu T_min=0 pocatek casove osy T_max=1f konec casove osy dt=T_maxpart casovy krok parametry prudove hustoty pi=4atan(1) s=pir12 I=600sqrt(2) N1=1 J1_a=IN1s definovani vzestupne casti pulsu tau=3 DIMJexTABLE5011timeJ Jex(11)=0
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
5
Jex(10)=0 doi2501 Jex(i1)=(J1_a)(1-exp(-itau)) Jex(i0)=(i) enddo definovani sestupne casti pulsu tau=3 DIMJex1TABLE5011timeJ Jex1(11)=J1_a Jex1(10)=0 doi2501 Jex1(i1)=(J1_a)(exp(-itau)) Jex1(i0)=(i) enddo sestaveni celeho pulsu DIMJex2TABLE10011timeJ Jex2(11)=0 Jex2(10)=0 doi2501 Jex2(i1)=Jex(i1) Jex2(i0)=(i) enddo doi511001 Jex2(i1)=Jex1(i-501) Jex2(i0)=(i) enddo priprava nulovych vektoru kladneho a zaporneho prubehu J DIMJ1TABLE60011timeJ DIMmJ1TABLE60011timeJ doi16001 J1(i0)=(i-1)dt time J1(i1)=0 J mJ1(i0)=(i-1)dt time mJ1(i1)=0 -J enddo vlozeni prvniho pulsu doi11001 J1(i1)=Jex2(i1) mJ1(i1)=-Jex2(i1) enddo vlozeni druheho pulsu doi3004001 J1(i1)=-Jex2(i-3001) mJ1(i1)=Jex2(i-3001) enddo prirazeni prubehu k plocham PREP7 FLST215ORDE1 FITEM28 BFAP51XJSJ1 FLST215ORDE1 FITEM29 BFAP51XJSmJ1
75 Nastaveniacute analyacutezy SOL prepnuti do Solution modu - nastaveni analyzy kroku=300 pocet kroku simulace ANTYPE4 TRNOPTFULL
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
6
NSUBSTkroku00 OUTRESERASE OUTRESALL1 TIMET_max solve spusti vypocet ulohy
76 Postprocessing POST1 prepne do Preprocesing modu krokyb=200 pocet kroku na delku coilgapu L=03 delka Rx snimace hrx1=(h2)+10e-3 jednotlive vyskove pozice Rx vinuti hrx2=(h2)+526e-3 hrx3=(h2) hrx4=((h2)-526e-3) hrx5=((h2)-10e-3) vytvoreni pole hodnot - 10 sloupcu x 300 radku sloupce odpovidaji poctu jednotlivych civek 2x5 (5 poloh horni a dolni civka) DIMTOKTABLEkroku101SUBSTEP TOK(00)=0 TOK(01)=0 TOK(02)=0 TOK(03)=0 TOK(04)=0 TOK(05)=0 TOK(06)=0 TOK(07)=0 TOK(08)=0 TOK(09)=0 TOK(010)=0 dok1kroku1 hlavni cyklus pocet cyklu odpovida poctu kroku analyzy APPEND 1 k nacteni k-teho kroku analyzy tato cast kodu je nutna pro kazdou civku zvlast (10x se opakuje) PATHHORNI26krokyb-1 definovani cesty horni civky PPATH10-c2hrx10 levy koncovy bod PPATH20c2hrx10 pravy koncovy bod PDEF BYAVG namapovani Y-slozky magneticke indukce B PCALCINTGINT_HORBYXGL vypocet integralu z By podle dX PBCPATH 0 PAGETHORNI1_TABL ulozeni hodnot ziskanych na definovane ceste do pole HORNI1_ PADELALL smazani cesty i s hodnotamy (pole HORNI1_ zustava) konec opakujici se casti prirazovani posledni hodnoty integralu do prislusneho pole vysledku TOK(k0)=k casova osa TOK(k1)=HORNI1_(krokyb6) TOK(k2)=DOLNI1_(krokyb6) TOK(k3)=HORNI2_(krokyb6) TOK(k4)=DOLNI2_(krokyb6) TOK(k5)=HORNI3_(krokyb6) TOK(k6)=DOLNI3_(krokyb6) TOK(k7)=HORNI4_(krokyb6) TOK(k8)=DOLNI4_(krokyb6) TOK(k9)=HORNI5_(krokyb6) TOK(k10)=DOLNI5_(krokyb6) DELPRM_ smaze vsechny pole vysledku koncici znakem _ enddo konec cyklu zapis_tok odkaz na skript pro zapsani pole vysledku do souboru txt
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
7
77 Makro Vyacutepis makra ktereacute uklaacutedaacute hodnoty do souboru tok_fitxt
MWRITETOK(111)tok_fitxt vytvori soubor tok_fitxt a ulozi do
nej matici vysletku TOK
(10E135) urcuje format zapisu hodnot - 10
sloupcu cisel o celkove delce 13ti
znaku z toho 5 za desetinou teckou
CFCLOS uzavre soubor
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
8
Eviden čniacute list
Souhlasiacutem s tiacutem aby moje bakalaacuteřskaacute praacutece byla půjčovaacutena k prezenčniacutemu studiu v
Univerzitniacute knihově ZČU v Plzni
Datum Podpis
Uživatel stvrzuje svyacutem čitelnyacutem podpisem že tuto bakalaacuteřskou praacuteci použil ke studijniacutem
uacutečelům a prohlašuje že ji uvede mezi použityacutemi prameny
Jmeacuteno Fakultakatedra Datum Podpis
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
21
33 Přijiacutemaciacute čaacutest - Rx Zaacutekladem přijiacutemaciacute čaacutesti je soustava složenaacute ze dvou paralelně spojenyacutech Rx ciacutevek
podle obr 35 každaacute se dvěma zaacutevity U tohoto uspořaacutedaacuteniacute hraje důležitou roli smysl vinutiacute
Rx ciacutevek (označeniacute počaacutetku a konce vinutiacute) a jejich přesnaacute poloha Tx musiacute prochaacutezet přesně
v jedneacute polovině vzdaacutelenosti l
Obr 35 Geometrickeacute uspořaacutedaacuteniacute je voleno tak že pokud neprochaacuteziacute detektorem kontaminant napětiacute
indukovaneacute napaacutejenou ciacutevkou Tx do Rx ciacutevek je minimaacutelniacute
Jak bylo řečeno v kapitole 32 pro detekci kovu je podstatneacute elektromagnetickeacute pole
Elektrickeacute pole je odstraněno na primaacuterniacutem vinutiacute vstupniacuteho transformaacutetoru TR s dvojityacutem
primaacuterniacutem vinutiacutem zapojenyacutem proti sobě v poměru k sekundaacuterniacutemu vinutiacute 1+130 umiacutestěnyacutem
na Rx boardu Na obraacutezku 36 je zapojeniacute vstupniacuteho obvodu Rx boardu Elektrickaacute složka
pole maacute vůči zemi na obou vyacutevodech Rx ciacutevek stejnyacute průběh Primaacuterniacute vinutiacute TR maacute
vyvedenyacute střed na zem čiacutemž se elektrickaacute složka pole uzemniacute (teče proud) Protože jsou
Rx1 ciacutevka
Rx2 ciacutevka
Tx ciacutevka
l
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
22
průběhy na obou vyacutevodech stejneacute magnetickeacute toky v TR vyvolaneacute proudem působiacute proti sobě
a na sekundaacuterniacute vinutiacute se neindukuje žaacutedneacute napětiacute Dojde-li k narušeniacute magnetickeacuteho pole
uvnitř detekčniacuteho prostoru vznikaacute rozdiacutel naindukovaneacuteho napětiacute v leveacutem a praveacutem vodiči Rx
ciacutevky Tento rozdiacutel napětiacute maacute za naacutesledek tok proudu kteryacute se uzaviacuteraacute přes primaacuterniacute vinutiacute
TR1 a indukuje napětiacute na sekundaacuterniacute straně Toto napětiacute je daacutele zpracovaacutevaacuteno
Obr 36 Vstupniacute obvod Rx boardu
34 Princip vyhodnocovaacuteniacute Signaacutel na sekundaacuterniacutem vinutiacute transformaacutetoru TR je zpracovaacutevaacuten blokem obvodů pro
uacutepravu signaacutelu Ten obsahuje aktivniacute filtr a integračniacute člen s niacutezko-šumovyacutem operačniacutem
zesilovačem Za integračniacutem členem je měřiciacute bod kteryacute je využit při oživovaacuteniacute detektorů
Napětiacute Ub (balance signal) v tomto bodě se zobrazuje na osciloskopu a jeho maximaacutelniacute
hodnota by neměla přesaacutehnout 6 V špička - špička Čiacutem je rozkmit toho napětiacute nižšiacute tiacutem lze
dosaacutehnout vyššiacute citlivosti detektoru (kap 35 Vyvažovaacuteniacute detektoru) Nuloveacuteho rozkmitu
nelze dosaacutehnout mimo jineacute kvůli vyacuterobniacutem toleranciacutem zařiacutezeniacute a nehomogenitaacutem Citlivost
elektronickyacutech čaacutestiacute je velmi vysokaacute a uplatňujiacute se rušiveacute vlivy při jejich činnosti (vliv
teploty mechanickeacute chvěniacute) Napětiacute Ub odpoviacutedaacute vyrovnaacutevaciacutemu proudu v Rx ciacutevkaacutech
Přiacuteklad jeho průběhu bez kontaminantu je na obr 37
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
23
Obr 37 Přiacuteklad průběhu napětiacute Ub
Napětiacute Ub je přivaacuteděno na dva samostatneacute elektronickeacute obvody (řiacutezeneacute usměrňovače)
ovlaacutedaneacute řiacutediacuteciacutemi napětiacutemi z mikrokontroleru (na Tx boardu) Dvě řiacutediacuteciacute napětiacute jednoho
usměrňovače jsou vůči sobě o π posunuty a zaacuteroveň jsou posunuty o π2 proti dvěma řiacutediacuteciacutem
napětiacutem druheacuteho usměrňovače Vyacutesledkem jsou dva napěťoveacute signaacutely (P a Q) ktereacute jsou daacutele
zpracovaacutevaacuteny (integrace zesiacuteleniacute) s možnostiacute ručniacute volby zesiacuteleniacute ve čtyřech stupniacutech
(ovlaacutedaacuteniacute citlivosti detektoru) Tyto signaacutely jsou již nositelem informace a jsou na Control
boardu převedeny do digitaacutelniacute podoby Takto upraveneacute signaacutely jsou vyhodnocovaacuteny
algoritmy v hlavniacutem mikrokontroleru
35 Vyvažovaacuteniacute detektoru Zaacutekladem kvalitniacute a stabilniacute detekce je ciacutevkovyacute systeacutem Aby se dosaacutehlo co nejlepšiacuteho
vyvaacuteženiacute ciacutevek je nutnaacute přesnaacute bytelnaacute a rozměrově staacutelaacute konstrukce Detektory společnosti
Loma Systems sro majiacute ciacutevky uloženeacute ve vyfreacutezovanyacutech draacutežkaacutech a zajištěneacute epoxidovyacutem
lepidlem I přes to je detektor po osazeniacute elektronikou značně nevyvaacuteženyacute balančniacute napětiacute Ub
překračuje požadovanou hodnotu 6 V špička - špička natolik že může dojiacutet i k saturaci
elektronickyacutech obvodů Je tedy nutneacute ciacutevkovyacute systeacutem vyvaacutežit (vybalancovat)
Nejprve se provede hrubeacute laděniacute spočiacutevajiacuteciacute v tvarovaacuteniacute maleacute smyčky Tx vinutiacute v čele
detektoru obr 38
0 T2 T
25 V Ub
-25 V
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
24
Obr 38 Vyvažovaciacute očko na Tx vinutiacute a vlepenyacute pliacutešek uvnitř detekčniacuteho otvoru
Tato smyčka plniacute funkci kompenzačniacuteho vinutiacute po natvarovaacuteniacute je očko zaliteacute epoxidovyacutem
lepidlem U detektorů s vnitřniacute uacutepravou detekčniacuteho otvoru modryacutem epoxidem se do
detekčniacuteho otvoru daacutele vlepujiacute vyvažovaciacute pliacutešky různyacutech tvarů a velikostiacute (od 1 cm2 do 4
cm2) obr 38 ktereacute se naacutesledně zalijiacute do roviny modryacutem epoxidem Jako materiaacutel
vyvažovaciacutech pliacutešků je použita nerezovaacute ocel ANSI 304 (DIN 14301) tloušťky 2 mm Druhyacute
typ detektorů s odolnyacutem plastovyacutem povrchem (typ US) neumožňuje vlepovaacuteniacute pliacutešků
dovnitř detekčniacuteho otvoru Balancovaacuteniacute se tedy provaacutediacute přesnějšiacutem tvarovaacuteniacutem Tx očka
popřiacutepadě vlepovaacuteniacutem pliacutešků v jeho okoliacute
Pro jemneacute doladěniacute se u obou těchto variant (US typ a klasickyacute s modrou epoxidovou
vyacuteplniacute detekčniacuteho otvoru) osazujiacute balančniacute moduly obr 39 ktereacute na plastoveacutem otočneacutem diacutelu
majiacute tuning block o rozměrech cca 05 cm2 z 5 mm tlusteacuteho nerezu Oba balančniacute moduly
umožňujiacute pohyb tuning blocku v okoliacute vyvažovaciacuteho očka
Obr 39 Balančniacute moduly i s kryciacutemi plechy vlevo US vpravo klasickyacute
Tyto moduly nejsou přiacuteliš efektivniacute a sloužiacute pouze k miacuterneacutemu vyvaacuteženiacute Použiacutevajiacute se dva typy
Tuning block
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
25
těchto modulů podle varianty vnitřniacute vyacuteplně detektoru (US typ a klasickyacute s modrou
epoxidovou vyacuteplniacute detekčniacuteho otvoru) Jedniacutem z přijatyacutech naacutevrhů pro vylepšeniacute detektorů s
modrou epoxidovou vyacuteplniacute je použitiacute stejneacuteho balančniacuteho modulu jako u detektoru typu US
Vyacuterobniacute cena US balančniacuteho modulu je podstatně nižšiacute a umožňuje změnu polohy
vyvažovaciacuteho diacutelu nejen po obvodu kružnice ale i změnu vzdaacutelenosti mezi rovinami očka a
tuning bloku Změna teacuteto vzdaacutelenosti se využije v přiacutepadě kdy po osazeniacute detektoru s modrou
epoxidovou pryskyřiciacute balančniacutem modulem dojde ke zhoršeniacute vyvaacuteženiacute ktereacute pouhyacutem
natočeniacutem po kružnici nelze vykompenzovat Použiacutevaacuteniacutem pouze balančniacuteho modulu typu
US by se dosaacutehlo sniacuteženiacute počtu součaacutestek ve vyacuterobniacutem procesu sniacuteženiacute naacutekladů na vyacuterobu
detektoru s modrou epoxidovou vyacuteplniacute detekčniacuteho prostoru a odstranil by se i probleacutem
vznikajiacuteciacute při osazeniacute těchto detektorů balančniacutemi moduly
Dalšiacute naacutevrh se tyacutekal materiaacutelu použiteacuteho na tuning block Snahou bylo zvyacutešit vliv
tuning bloku natolik aby bylo možneacute vynechat kompenzačniacute očko čiacutemž by došlo k urychleniacute
laděniacute Byly testovaacuteny materiaacutely FeNi47ln5 tloušťky 03 mm a FeNi42 tloušťky 04 mm Byl
zvolen tvar kteryacute umožňoval použitiacute staacutevajiacuteciacutech US modulů obr 310 Vliv tuning blocků
se sice zvyacutešil nicmeacuteně ne natolik aby mohlo byacutet vyvažovaciacute očko zcela vynechaacuteno
Obr 310 Prototypy tuning blocků z novyacutech materiaacutelů
36 Vyacutestupniacute kontrola Před samotnou expediciacute detektoru je nutneacute proveacutest kontrolu detekce Kvalita detekce
je ověřovaacutena třemi typy kontaminantů neželeznyacute - NONFE (mosaz) železnyacute - FE (chromovaacute
ocel) a nerezovyacute - SS (ANSI 304) K tomu jsou určeny přiacutepravky na obr 311 a 312 Jednaacute
se o kuličky definovanyacutech průměrů ktereacute jsou zaliteacute v plastovyacutech tyčinkaacutech opatřenyacutech
rozměrovou specifikaciacute kontaminantu Barva tyček odlišuje použityacute typ kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
26
Obr 311 Testovaciacute vzorky pro dopravniacutekoveacute detektory
Obr 312 Testovaciacute vzorky pro farmaceutickeacute detektory
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
27
4 Optimalizace a stiacuten ěniacute detektoru Jedniacutem z bodů teacuteto praacutece je navrženiacute optimalizaciacute průmysloveacuteho detektoru kovu z
hlediska kvality detekce a vyšetřeniacute elektromagnetickeacuteho pole s ohledem na rušiveacute vlivy Z
počaacutetku byly provaacuteděny pokusy se stiacuteněniacutem ciacutevek s ohledem na rušeniacute vnějšiacutem
elektromagnetickyacutem polem Prvniacute uacutevahy vedly k použitiacute stiacuteniacuteciacuteho materiaacutelu s velkou
permeabilitou kteryacute by do sebe soustředil většiacute množstviacute indukčniacutech čar unikajiacuteciacutech do okoliacute
a tiacutem omezil vnějšiacute rušeniacute Na zaacutekladě teacuteto uacutevahy byly testovaacuteny dva materiaacutely FeNi47ln5
tloušťky 03 mm a FeNi42 tloušťky 04 mm ktereacute mohou dosahovat relativniacute permeability až
micror_12106 [5] Těmito pokusy se sice sniacutežilo množstviacute indukčniacutech čar magnetickeacuteho pole
unikajiacuteciacuteho z detektoru ale vlivem přiacuteliš velkeacute permeability bylo ovlivněno i pole uvnitř
detekčniacuteho prostoru kde došlo ke sniacuteženiacute citlivosti Tento naacutevrh měl dalšiacute negativniacute faktory
jako je vysokaacute cena použityacutech materiaacutelů a omezeneacute vyacuterobniacute možnosti nedostačujiacuteciacute šiacuteřkou
paacutesů což by vedlo ke sklaacutedaacuteniacute plechů vedle sebe a tiacutem ke vzniku nehomogenit
Aby byly optimalizace efektivniacute je třeba znaacutet rozloženiacute elektromagnetickeacuteho pole
uvnitř detektoru a vlivy ktereacute na něj působiacute Proto bylo přistoupeno k využitiacute počiacutetačoveacuteho
softwaru Ansys Jednaacute se o profesionaacutelniacute software založenyacute na metodě konečnyacutech prvků Je
určen předevšiacutem pro simulace mechanickeacuteho namaacutehaacuteniacute ale umožňuje i řešeniacute teplotniacutech
elektromagnetickyacutech a sdruženyacutech poliacute [6] Ansys byl vybraacuten předevšiacutem pro možnost řešeniacute i
3D probleacutemů V teacuteto praacuteci bylo z důvodů vyacutepočetniacute naacuteročnosti a velkeacuteho množstviacute
jednotlivyacutech vyacutepočtů přistoupeno k řešeniacute probleacutemu pouze ve dvourozměrneacutem prostoru V
tomto přiacutepadě je řešeno nestacionaacuterniacute magnetickeacute pole ktereacute popisuje rovnice (41) [7]
( ) extr JArotdt
dABArotrot =timesminus+
minus γυγmicro1
(41)
kde
BArot = (42)
A magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel
micro permeabilita
Br remanentniacute indukce
B magnetickaacute indukce
γ měrnaacute elektrickaacute vodivost
ν rychlost pohybu tělesa v magnetickeacutem poli
Jext vektor vnějšiacute proudoveacute hustoty
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
28
41 Vyšet řovaacuteniacute vlivu pozice Rx vinutiacute Nejprve byly provedeny simulace staacutevajiacuteciacuteho zařiacutezeniacute o rozměrech detekčniacuteho otvoru
150 mm x 350 mm Zaacutekladniacute geometrie probleacutemu je na obraacutezku 41 Pro řešeniacute zaacutekladniacuteho
probleacutemu by bylo možneacute použiacutet symetrii modelu pokud však model doplniacuteme o kontaminant
možnost teacuteto symetrie odpadaacute Byly provedeny tři seacuterie vyacutepočtů ktereacute se lišily materiaacutelem
kontaminantu Každaacute seacuterie se sklaacutedala z 24 samostatnyacutech vyacutepočtů ve kteryacutech se postupně
měnila pozice kontaminantu tak jako je tomu při skutečneacute situaci na dopravniacutem paacutesu
Použityacutem APDL skriptem by bylo možneacute řešit i průchody kontaminantu v různyacutech vyacuteškaacutech
detekčniacuteho otvoru Pro potřeby těchto vyacutepočtů byl průchod zvolen středem jelikož je zde
citlivost detektoru nejnižšiacute Nutno poukaacutezat na skutečnost že kontaminant reprezentovanyacute
kružniciacute v řezu detektoru nelze považovat za kulovyacute nyacutebrž za vodič kruhoveacuteho průřezu
stejneacute deacutelky jako Tx respektive Rx vinutiacute Rozmeziacute pohybu kontaminantu bylo od -230 mm
do 230 mm vůči Tx vinutiacute s krokem 20 mm Obdeacutelniacuteky v okoliacute Tx vinutiacute byly vytvořeny za
uacutečelem možnosti zjemněniacute vyacutepočetniacute siacutetě v prostoru Tx a Rx vinutiacute Na obraacutezku 41 nejsou
namodelovaacuteny Rx ciacutevky neboť hodnota naindukovaneacuteho napětiacute byla ziacuteskaacutevaacutena v pěti
různyacutech vyacuteškovyacutech poziciacutech a bylo hodnoceno indukovaneacute napětiacute Ui
Obr 41 Zaacutekladniacute geometrie
nerezovyacute kryt
vodiče Tx vinutiacute
kontaminant
obdeacutelniacuteky vzduchoveacuteho okoliacute s jemnějšiacute vyacutepočetniacute siacutetiacute střed souřadneacuteho
systeacutemu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
29
411 Preprocessing - p řiacuteprava skriptu Nejprve bylo nutneacute zjistit geometrickeacute rozměry a materiaacuteloveacute konstanty zkoumaneacuteho
detektoru Geometrickeacute rozměry byly ziacuteskaacuteny z databaacuteze Solidworks modelů společnosti
Loma Systems sro V kapitole 71 je uacuteryvek APDL skriptu pro tvorbu geometrie
Materiaacutely použiteacute v modelu jsou vzduch vodiče Tx vinutiacute nerezovyacute obal detektoru a
materiaacutely kontaminantů V raacutemci zjednodušeniacute modelu nebyly uvažovaacuteny PVC izolace Tx
vinutiacute samotneacute Tufneloveacute jaacutedro a materiaacutel s niacutemž je prostor mezi jaacutedrem a nerezovyacutem
krytem vyplněn neboť tyto materiaacutely vykazujiacute z pohledu šiacuteřeniacute elektromagnetickeacuteho pole
stejneacute vlastnosti jako vzduch Konkreacutetniacute hodnoty materiaacutelovyacutech konstant viz tabulka 41
odpor Tx vinutiacute nebyl uvažovaacuten neboť jeho plochy byly zatiacuteženy definovanou proudovou
hustotou tudiacutež neniacute možneacute uvažovat přiacutepadně naindukovaneacute viacuteřiveacute proudy Daacutele bylo nutneacute
zvolit a spraacutevně nastavit použiteacute elementy modelu
Tab 41 Materiaacuteloveacute vlastnosti
měrnaacute
permeabilita [-] měrnyacute elektrickyacute
odpor [Ωm]
vzduch 1 -
Tx vinutiacute 1 -
nerezovaacute ocel (ANSI 304 DIN 14301)
1008 [10] 72010-7
neželeznyacute kontaminant (mosaz)
1 75010-8
železnyacute kontaminant (chromovaacute ocel)
400 12010-7
nerezovyacute kontaminant (ANSI 304 DIN 14301) 1008 72010-7
Jako elementy daneacuteho modelu byly zvoleny elementy PLANE53 určeneacute pro řešeniacute
magnetickeacuteho pole Jednaacute se o osmi uzloveacute elementy ktereacute mohou miacutet až čtyři stupně
volnosti na uzel Stupně volnosti mohou byacutet magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel (AZ) časově
integrovanyacute elektrickyacute skalaacuterniacute potenciaacutel (VOLT) elektrickyacute proud (CURR) a
elektromotorickaacute siacutela (EMF) [6] Geometrie elementu na obr 42
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
30
Obr 42 Geometrie elementu PLANE53 [6]
Uacuteryvek koacutedu v kapitole 72 obsahuje definovaacuteniacute materiaacutelovyacutech vlastnostiacute definovaacuteniacute
elementů a jejich nastaveniacute V dalšiacute časti bylo nutneacute jednotliveacute materiaacutely a elementy přiřadit
danyacutem plochaacutem
Daacutele bylo zapotřebiacute nastavit atributy pro automatickeacute siacuteťovaacuteniacute oblasti Je nutneacute aby v
tenkyacutech a malyacutech plochaacutech byla vyššiacute hustota siacutetě než na velkyacutech plochaacutech kde postačuje siacuteť
řidšiacute Velmi důležitaacute je kompatibilita siacutetě proto byla v okoliacute Tx vodičů vytvořena
obdeacutelniacutekovaacute oblast s hustšiacute siacutetiacute viz uacuteryvek koacutedu v přiacuteloze 73
Obr 43 Detailniacute pohled na siacuteť elementů
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
31
V posledniacute čaacutesti preprocessingu byla definovaacutena Dirichletova okrajovaacute podmiacutenka
udaacutevajiacuteciacute magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel roven nule na vnějšiacute hrany vzduchoveacuteho okoliacute a
průběh budiacuteciacute proudoveacute hustoty v Tx vodičiacutech V horniacutem a dolniacutem vodiči měly toky opačnyacute
smysl proto bylo nutneacute vytvořit dva vektory hodnot J1 (obr 44) a mJ1 V posledniacute řadě bylo
provedeno přiřazeniacute průběhů k plochaacutem viz kapitola 74
Obr 44 Průběh proudoveacute hustoty v ploše Tx vodiče
Ansys byl do Solution modu přepnut přiacutekazem SOL kde se provedlo nastaveniacute
analyacutezy a byl spuštěn vyacutepočet viz kapitola 76
412 Postprocessing - ziacuteskaacutevaacuteniacute vyacutesledk ů Ciacutelem teacuteto čaacutesti bylo zjištěniacute průběhů naindukovanyacutech napětiacute Ui v zaacutevislosti na čase
pro různeacute vyacuteškoveacute pozice přijiacutemaciacutech ciacutevek Rx Pro indukovaneacute napětiacute platiacute vztah
( )Vndt
dU i sdotΦminus= (43)
kde
( )TdxBlx
x
Yint sdotsdot=Φ2
1
(44)
n počet zaacutevitů Rx vinutiacute
l deacutelka Rx vinutiacute ve směru osy Z
x1 a x2 šiacuteřka Rx vinutiacute ve směru osy X
BY složka magnetickeacute indukce v ose Y
Zadaacuteniacutem souřadnic dvou bodů se nadefinovala uacutesečka (cesta) na kterou byly s určityacutem
J (Am-2)
kroky vyacutepočtu (-)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
32
krokem zaznamenaacuteny hodnoty magnetickeacute indukce BY Průběh BY v zaacutevislosti na souřadnici X
je na obr 45
Obr 45 Průběh magnetickeacute indukce BY v zaacutevislosti na souřadnici X
Obr 46 Průběh magnetickeacuteho toku Φ v zaacutevislosti na souřadnici X
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
33
Integrovaacuteniacutem průběhu BY se ziacuteskal průběh magnetickeacuteho indukčniacuteho toku Φ obr 46
Magnetickyacute indukčniacute tok Φ je roven určiteacutemu integraacutelu (rovnice 44) průběhu BY obr 45 Z
toho vyplyacutevaacute že magnetickyacute indukčniacute tok je roven posledniacute hodnotě průběhu na obr 46
Tato hodnota se vynaacutesobila deacutelkou Rx vinutiacute Postup vyacutepočtu se opakoval pro všechny pozice
Rx vinutiacute a to v každeacutem kroku transientniacute analyacutezy Tiacutem se ziacuteskala zaacutevislost magnetickeacuteho
indukčniacuteho toku Φ na čase t V programu MS Excel se vynaacutesobil tok počtem zaacutevitů Rx vinutiacute
a byla provedena derivace podle času (rovnice 43) Takto byly zpracovaacuteny vyacutesledky pro
všechny pozice kontaminantu vůči Tx vinutiacute APDL skript pro ziacuteskaacutevaacuteniacute hodnot viz kapitola
76 a v kapitole 77 je vyacutepis makra ktereacute uklaacutedaacute hodnoty do souboru
413 Hodnoceniacute vyacutesledk ů Vypočteneacute hodnoty Ui ve všech pěti vyacuteškovyacutech poziciacutech hrx byly vyneseny do grafů v
zaacutevislosti na čase Pokud se vynesou do jednoho grafu průběhy indukovanyacutech napětiacute pro
každou pozici kontaminantu v daneacute vyacutešce lze sledovat odezvu indukovaneacuteho napětiacute na
polohu kontaminantu Jelikož byly provedeny tři seacuterie vyacutepočtů s různyacutemi kontaminanty lze
porovnat i tvary přijiacutemanyacutech signaacutelu pro jednotliveacute materiaacutely Ciacutelem teacuteto čaacutesti je porovnat
signaacutely ziacuteskaacutevaneacute v různyacutech vyacuteškovyacutech polohaacutech Rx vinutiacute a vybrat nejvhodnějšiacute signaacutel pro
detekci
Na naacutesledujiacuteciacutech grafech jsou znaacutezorněny napěťoveacute průběhy během jedneacute periody v
zaacutevislosti na poloze kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
34
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 47 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 48 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
35
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 49 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 410 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
36
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 411 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 5)
Na obraacutezciacutech 47 až 411 jsou zobrazeny průběhy odpoviacutedajiacuteciacute průchodu železneacuteho
kontaminantu s relativniacute permeablitou 400 a měrnyacutem elektrickyacutem odporem 10210-7 Ωm Na
průběziacutech 47 48 a 411 lze pozorovat sice nižšiacute hodnotu signaacutelu ale celkovaacute deformace
během průchodu kontaminantu je většiacute
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 412 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
37
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 413 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 414 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
38
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 415 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 416 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce5)
Na obraacutezciacutech 412 až 416 jsou zobrazeneacute průběhy odpoviacutedajiacuteciacute průchodu kontaminantu z
nerezu ANSI 304 s relativniacute permeablitou 1008 a měrnyacutem elektrickyacutem odporem 7210-7
Ωm Při porovnaacuteniacute s předchoziacutem kontaminantem je změna signaacutelu nižšiacute což odpoviacutedaacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
39
předpokladům o obtiacutežnějšiacute detekci nerezovyacutech kontaminantů
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 417 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 418 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
40
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 419 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 420 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
41
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 421 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 5)
Na obraacutezciacutech 417 až 421 jsou zobrazeny průběhy odpoviacutedajiacuteciacute neželezneacutemu
kontaminantu (mědi) s parametry relativniacute permeablita 1 a měrnyacute elektrickyacute odpor 7510-8
Ωm Průběh signaacutelu je velmi podobnyacute signaacutelům nerezoveacuteho kontaminantu
Porovnaacuteniacutem všech grafů (obr 47 - obr 422) je obecně vidět že u průběhů ve vyacutešce
3 a 4 je zisk signaacutelu pro všechny modelovaneacute kontaminanty největšiacute Dochaacuteziacute zde ale ke
změně amplitudy pouze v jednom smyslu což z hlediska vyhodnocovaciacutech algoritmů zlepšeniacute
detekce vylučuje Naproti tomu je u signaacutelu ve vyacutešce 5 znatelně vyššiacute amplituda než v
použiacutevaneacute vyacutešce 2 Na zaacutekladě tohoto zjištěniacute bude zhotoven prototyp detektoru za uacutečelem
ověřeniacute teoretickyacutech vyacutesledků
Na obraacutezku 422 je ukaacutezka grafickeacuteho vyacutestupu zobrazujiacuteciacuteho vektory proudoveacute
hustoty naindukovaneacute v nerezoveacutem krytu a v kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
42
Obr 422 Vektory proudovyacutech hustot naindukovanyacutech do kontaminantu a nerezoveacuteho krytu
Obraacutezek 423 zobrazuje kontury magnetickeacuteho pole ve stejneacutem časoveacutem kroku jako obr
422 Pole ktereacute je konturami zobrazeno je tvořeno praacutevě proudovou hustotou obr 422 Je
zde možneacute pozorovat jak se pole deformuje přiacutetomnyacutem kontaminantem
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
43
Obr 423 Kontury magnetickeacuteho vektoroveacuteho potenciaacutelu s viditelnou deformaciacute pole způsobenou
feromagnetickyacutem kontaminantem
42 Vyšet řovaacuteniacute množstviacute vyza řovaneacute energie V teacuteto čaacutesti se vychaacutezelo z předpokladu že intenzita elektromagnetickeacuteho pole uvnitř
detektoru je mnohem většiacute než elektromagnetickyacute šum kteryacute do detektoru vnikaacute z okoliacute
Proto lze předpoklaacutedat že rušeniacute bude způsobeno předevšiacutem deformaciacute vlastniacuteho
vyzařovaneacuteho pole v bliacutezkeacutem okoliacute detektoru To vede ke snaze snižovat množstviacute vlastniacuteho
vyzaacuteřeneacuteho pole ven z detektoru aby nemohlo byacutet deformovaacuteno okolniacutemi předměty
421 Řešeniacute probleacutemu Bylo porovnaacuteno pět variant detektorů bez průchodu kontaminantu Každaacute varianta se
řešila jedniacutem vyacutepočtem z čehož plyne malaacute časovaacute naacuteročnost a proto byly probleacutemy řešeny
bez využitiacute symetrie Prvniacute byl staacutevajiacuteciacute detektor o tloušťce kryciacuteho nerezoveacuteho plechu 3 mm
druhyacute byl stejneacute geometrie ale za použitiacute silnějšiacuteho 5 mm tlusteacuteho nerezu Třetiacute typ měl
tloušťku 3 mm ale na horniacute a dolniacute stěně bylo přidaacuteno dalšiacute stiacuteněniacute z nerezu ve tvaru T (obr
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
44
426) Posledniacute dva naacutevrhy měly pravouacutehlyacute tvar krytu celkově menšiacutech rozměrů z nichž jeden
byl jednoduchyacute o tloušťce 3 mm (obr 427) a druhyacute měl shora a zdola dvojiteacute dno z nerezu
tloušťky 3 mm (obr_428) Touto metodou by se dalo porovnaacutevat mnohem většiacute množstviacute
provedeniacute ktereacute by se mohly lišit i použityacutem materiaacutelem Vzduchoveacute okoliacute detektoru bylo
rozděleno na čtyři sektory v nichž se sečetly hodnoty magnetickeacute energie jednotlivyacutech
elementů v každeacutem kroku analyacutezy a tiacutem se ziacuteskal průběh množstviacute energie v daneacutem prostoru
na čase Objemovaacute hustota magnetickeacute energie byla zjišťovaacutena ve všech plochaacutech daneacute
geometrie a bylo možno sledovat jak se energie v čase přemisťuje
Obr 424 Geometrie varianty 3 mm
Obr 425 Geometrie varianty 5 mm
Obr 426 Geometrie varianty 3 mm-stineni
Obr 427 Geometrie varianty novy 1
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
45
Obr 428 Geometrie varianty novy 2
Přiacuteprava skriptů se od předchoziacutech vyacutepočtů lišila pouze v geometrii jinak byla
principiaacutelně stejnaacute Rozdiacutel byl však v čaacutesti post-processingu (ziacuteskaacutevaacuteniacute vyacutesledků) Aby bylo
možno přistupovat k jednotlivyacutem sektorům musel byacutet každyacute sektor definovaacuten vlastniacutem typem
elementů (elementy byly použity stejneacute jednaacute se pouze o čiacuteslovaacuteniacute) Byly použity osmkraacutet
elementy PLANE53
ET153 Tx vinuti ET253 prostor uvnitr detektoru ET353 nerezovy obal ET453 detekcni prostor ET553 vzduchove okoli - horni ET653 vzduchove okoli - pravy ET753 vzduchove okoli - dolni ET853 vzduchove okoli - levy
Přiacuteklad načiacutetaacuteniacute vyacutesledků pro jeden typ elementů
POST1 prepnutiacute do postprocesoru allsel oznaceni vsech elementu vytvoreni pole pro ukadani hodnot DIMenergie1TABLEkroku11timeE zapsani nulovych hodnot na zacatek vektoru vysledku energie1(00)=0 energie1(01)=0 cyklus ve kterem se nacitaji vysledky jednotlivych kroku simulace doi1kroku1 APPEND 1 i nacteni daneho kroku eseltype1 vybrani elementu typu 1 GET e_count1 ELEM count vraci mnozstvi elementu daneho typu GET e_next ELEM 0 NXTH vraci nejnizsi adresu elementu daneho typu v promenne e_next energ1=0 vynulovani promenne cyklus ktery postupne prochazi vsechy elementy daneho typu doj1e_count11 GET e_energ1 ELEM e_next SENE ulozi do promene e_energ1 mnozstvi energie v elementu s adresou e_next
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
46
GET e_next ELEM e_next NXTH posune adresu elementu o jedna energ1=energ1+e_energ1 pricte mnozstvi energie e_energ1 do kumulativni promnenne energ1 enddo konec vnitrniho cyklu energie1(i0)=i zapise do pole vysledku cislu jirju simulace energie1(i1)=energ1 zapise do pole vysledku mnozstvi energie v cele plose s elementy daneho typu enddo konec vnejsiho cyklu zapis_energ zavolani makra pro zapis vysledku do souboru
422 Hodnoceniacute vyacutesledk ů V jednotlivyacutech sektorech se provedla suma magnetickeacute energie pro každyacute krok
simulace Vyacutesledkem jsou průběhy množstviacute energie v daneacute ploše v zaacutevislosti na krociacutech
simulace (čase) Jednotliveacute varianty byly hodnoceny na zaacutekladě porovnaacuteniacute průběhů se
staacutevajiacuteciacutem detektorem
Energie v Tx vinutiacute
000E+00
100E-03
200E-03
300E-03
400E-03
500E-03
600E-03
700E-03
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 429 Energie v Tx vinutiacute
Na grafu (obr 429) je vidět že množstviacute energie v Tx vinutiacute neniacute zaacutevisleacute na geometrii a je
daacuteno budiacuteciacutem signaacutelem v Tx vinutiacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
47
Energie unit ř detektoru
000E+00
200E-02
400E-02
600E-02
800E-02
100E-01
120E-01
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 430 Energie uvnitř detektoru
Na obr 430 je znaacutezorněno množstviacute energie v prostoru detektoru do ktereacuteho neniacute
započiacutetaacutena detekčniacute oblast ta je zobrazena na obr 432 V teacuteto čaacutesti neniacute pozorovaacutena žaacutednaacute
vyacuteraznaacute změna
Energie v nerezoveacutem obalu
000E+00
500E-05
100E-04
150E-04
200E-04
250E-04
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 431 Energie v nerezoveacutem obalu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
48
Vyacuteraznějšiacute změny se odehraacutevajiacute v nerezoveacutem obalu Nejmenšiacute množstviacute energie je v klasickeacute
3 mm tlusteacute a v 5 mm tlusteacute variantě U klasickeacute varianty se stiacuteněniacutem a u novyacutech naacutevrhů je
naacuterůst způsoben přibliacuteženiacutem nerezu k Tx vinutiacute
Energie v prostoru detek čniacuteho otvoru
000E+00
500E-03
100E-02
150E-02
200E-02
250E-02
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 432 Energie v prostoru detekčniacuteho otvoru
V oblasti detekčniacuteho otvoru je snaha o uchovaacuteniacute co největšiacuteho množstviacute energie neboť
zmenšeniacute energie vede ke sniacuteženiacute odezvy na kontaminant tedy ke sniacuteženiacute citlivosti detektoru
Z obr 432 je patrneacute že geometrickeacute uacutepravy detektoru (3 mm se stiacuteněniacutem novy 1 a novy 2)
vedou ke sniacuteženiacute množstviacute energie v tomto prostoru
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
49
Energie v horniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
100E-07
200E-07
300E-07
400E-07
500E-07
600E-07
700E-07
800E-07
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 433 Energie v horniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Energie v dolniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
100E-07
200E-07
300E-07
400E-07
500E-07
600E-07
700E-07
800E-07
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 434 Energie v dolniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Porovnajiacute-li se obr 433 a 434 je u variant 1 - 3 možneacute pozorovat rozdiacutely mezi horniacute a dolniacute
plochou Je zde na prvniacute pohled vidět jak horniacute oblouk snižuje množstviacute energie unikajiacuteciacute do
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
50
okoliacute Jako uacutečinneacute se z pohledu těchto sektorů jeviacute varianta klasickeacuteho detektoru se stiacuteněniacutem a
novyacute naacutevrh s dvojityacutemi stěnami
Energie v praveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
500E-06
100E-05
150E-05
200E-05
250E-05
300E-05
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 435 Energie v praveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Energie v leveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
500E-06
100E-05
150E-05
200E-05
250E-05
300E-05
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 436 Energie v leveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
51
Pravyacute a levyacute sektor je z důvodů symetrie stejnyacute na obrazciacutech 435 a 436 lze pozorovat tzv
metal free zoacutenu kteraacute se u detektorů udaacutevaacute Jednaacute se o prostor před a za detekčniacutem otvorem
ve ktereacutem se nesmiacute nachaacutezet žaacutednyacute kovovyacute materiaacutel (z důvodu ovlivňovaacuteniacute pole) snahou je
tuto zoacutenu co nejviacutece zmenšit Z grafů je patrneacute že novyacute naacutevrh s dvojityacutemi stěnami vykazuje
nejmenšiacute množstviacute energie v teacuteto oblasti Naopak u klasickeacute varianty se stiacuteněniacutem došlo k
vytlačeniacute pole z vnitřku detektoru praacutevě do těchto okolniacutech zoacuten
Na zaacutekladě těchto poznatků bude provedeno ověřeniacute na skutečnyacutech zařiacutezeniacutech Mezi
použitelneacute varianty připadaacute klasickaacute konstrukce doplněnaacute o stiacuteněniacute a novyacute naacutevrh s dvojityacutemi
stěnami U toho je však velkaacute hrozba sniacuteženiacute citlivosti způsobeneacute menšiacutem množstviacutem energie
v detekčniacutem prostoru
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
52
5 Zaacutevěr Ciacutelem předklaacutedaneacute praacutece je zlepšeniacute činnosti detektorů kovů přiacutepadně uacuteprava
technologie vyacuteroby při současneacutem sniacuteženiacute vyacuterobniacutech naacutekladů Předpokladem uacutespěšnyacutech
naacutevrhů byla podrobnaacute studie činnosti a principu těchto zařiacutezeniacute kteraacute jsou vyacuterobcem po
několik let uacutespěšně prodaacutevaacutena na světovyacutech trziacutech
Na zaacutekladě těchto požadavků byly provedeny některeacute testy ktereacute měly ověřit
předpoklaacutedanaacute zlepšeniacute Nejširšiacute možnosti přinaacutešiacute modelovaacuteniacute magnetickeacuteho pole
průmyslovyacutech detektorů počiacutetačovou simulaciacute kteraacute je zatiacutem schopna řešit zadaneacute probleacutemy
v dvourozměrneacutem prostoru Nejčastěji řešeneacute probleacutemy jsou staacutele spojeny se zaacutekladniacutem
principem činnosti těchto zařiacutezeniacute tj vlivem a působeniacutem kontaminantu na
elektromagnetickeacute pole buzeneacute ciacutevkami uvnitř detektoru a nepřiacuteznivyacute vliv vnějšiacutech rušivyacutech
poliacute např při současneacute činnosti sousedniacutech detektorů Dalšiacutem zdrojem rušivyacutech magnetickyacutech
poliacute může byacutet i činnost a přiacutetomnost různyacutech elektrickyacutech zařiacutezeniacute probleacutem spojenyacute s
vhodnyacutem materiaacutelem a tvarem stiacuteněniacute těchto zařiacutezeniacute
Vzhledem k maximaacutelniacute citlivosti elektronickyacutech obvodů a požadovaneacute pečlivosti při
balancovaacuteniacute (vyvažovaacuteniacute) se vyskytuje probleacutem kteryacute souvisiacute se staacutelostiacute nastaveniacute detektoru
při mechanickeacutem otřesu přiacutepadně odstraněniacute změn ke kteryacutem dochaacuteziacute vlivem dopravy
Dalšiacutem plaacutenovanyacutem krokem je namodelovaacuteniacute probleacutemu v trojrozměrneacutem prostoru od
ktereacuteho je očekaacutevaacuteno zohledněniacute dalšiacutech vlivů a tiacutem zpřesněniacute samotneacuteho vyacutesledku
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
53
6 Použitaacute literatura [1] Internetoveacute straacutenky společnosti Loma Systems sro
httpwwwlomacom_czindexshtml
[2] Haacutejek J Jarchovskyacute Z Detektory kovů - naacutevod na stavbu nakladatelstviacute BEN Praha
2010
[3] Beneda L Detektory kovů bakalaacuteřskaacute praacutece ZČU Plzeň 2010
[4] Internetoveacute straacutenky společnosti Ad controls sro
httpwwwadcontrolsczdetektory_kovu_zakladni_pojmy
[5] KOVOHUTĚ ROKYCANY as COMTES FHT as MATEX sro Průběžnaacute
zpraacuteva k projektu FeNi - čj 1021207 - 32 za rok (2007 - 2009)
[6] Ansys Inc ANSYS HELP Release 130 Dokumentace k programu
[7] Karban P a kolektiv autorů Aplikace teoretickeacute elektrotechniky Skripta ZČU Plzeň
2011
[8] Benešovaacute Z Ulrych B Přiacuteručka pro použitiacute programů ve vyacuteuce teorie
elektromagnetickeacuteho pole Skripta ZČU Plzeň 1997
[9] Loma Systems sro Knowledge Base - Interniacute dokumentace společnosti
[10] Internetoveacute straacutenky společnosti Aerospace specification metals Inc
httpasmmatwebcomsearchSpecificMaterialaspbassnum=MQ304A
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
1
7 Přiacutelohy
71 Tvorba geometrie PREP7 prepnuti do rezimu preprocesingu jj=8 index polohy kontaminantu r1=05e-3 polomer Tx vodice 05 mm r2=15e-3 polomer kontaminantu 15 mm c=90e-3 sirka Rx civek h=1767e-3 vzdalenost mezi Tx vinutim hrx=(h2)+526e-3 zakladni vyskova poloha mezi Rx civkami hss=175e-3 vyska nerezoveho krytu wss=150e-3 sirka nerezoveho krytu tss=3e-3 tloustka nerezove steny hd=h-227e-3 vyska detekcniho otvoru wok=1000e-3 sirka vzduchoveho okoli hok=1000e-3 vyska vzduchoveho okoli wkon=(-250e-3)+(jj20e-3) poloha kontaminantu na ose X tvorba geometrickych bodu nerezoveho krytu K1022589e-30 K2022185e-30 K3-7907e-321208e-30 K4-78e-32085e-30 K57907e-321208e-30 K678e-32085e-30 K7-wsshss0 K8-wss+tsshss-tss0 K9wsshss0 K10wss-tsshss-tss0 K11-wss-hss0 K12-wss+tss-hss+tss0 K13wss-hss0 K14wss-tss-hss+tss0 vytvoreni ploch definovanymi body FLST273 FITEM27 FITEM23 FITEM21 FITEM25 FITEM29 FITEM213 FITEM211 AP51X FLST273 FITEM28 FITEM24 FITEM22 FITEM26 FITEM210 FITEM214 FITEM212 AP51X CYL40h2r1 plocha horniho Tx vodice CYL40-h2r1 ploch dolniho Tx vodice BLC50((h2)+hrx)2100e-310e-3 plocha horniho vzduchoveho okoli Tx vodice BLC50-((h2)+hrx)2100e-310e-3 plocha dolniho vzduchoveho okoli Tx vodice BLC5002wsshd plocha detekcniho ootvoru APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch odstraneni ploch ktere budou sjednoceny se vzduchovym okolim
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
2
FLST255ORDE4 FITEM210 FITEM2-12 FITEM215 FITEM218 ADELEP51X BLC500wokhok vytvoreni plochy vzduchoveho okoli APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch CYL4wkon0r2 vytvoreni plochy kontaminantu APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch konec tvorby geometrickeho modelu
72 Definice element ů materiaacutel ů a jejich p řiřazeniacute k plochaacutem definovani materialu MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX11 material 1 Tx permeabilita 1 MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX21 material 2 Air permeabilita 1 MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX31008 material 3 nerezovy kryt SS ANSI 304 permeabilita MPTEMP MPTEMP10 MPDATARSVX372e-7 material 3 nerezoovy kryt SS Ansi 304 rezistivita MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX4400 material 4 Kontaminant permeabilita MPTEMP MPTEMP10 MPDATARSVX4102e-7 material 4 Kontaminant rezistivita definovani elementu ET153 Tx civky ET253 Vzduch ET353 nerezovy kryt ET453 kontaminant nastaveni elementu KEYOPT110 Tx civky KEYOPT120 KEYOPT130 KEYOPT140 KEYOPT150 KEYOPT170 KEYOPT210 Air KEYOPT220 KEYOPT230 KEYOPT240 KEYOPT250 KEYOPT270 KEYOPT310 SS KEYOPT320 KEYOPT330 KEYOPT340 KEYOPT350
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
3
KEYOPT370 KEYOPT410 kontaminant KEYOPT420 KEYOPT430 KEYOPT440 KEYOPT450 KEYOPT470 prirazeni elementu a materialum k plocham FLST525ORDE2 Tx FITEM58 FITEM5-9 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 1 1 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 FLST535ORDE3 Air FITEM53 FITEM516 FITEM5-17 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 2 2 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 FLST525ORDE2 SS FITEM513 FITEM5-14 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 3 3 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 CM_YAREA kontaminant ASEL 1 CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 4 4 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
4
73 Siacuteťovaacuteniacute oblastiacute FLST275ORDE7 FITEM21 FITEM28 FITEM2-9 FITEM213 FITEM2-14 FITEM216 FITEM2-17 AESIZEP51X00005 nastaveni delky steny elementu 00005 m FLST215ORDE1 FITEM23 AESIZEP51X001 nastaveni delky steny elementu 001 m MSHAPE12D nastaveni 2D trojuhelnikove site MSHKEY0 FLST585ORDE8 FITEM51 FITEM53 FITEM58 FITEM5-9 FITEM513 FITEM5-14 FITEM516 FITEM5-17 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CHKMSHAREA CMSELS_Y AMESH_Y1 spusteni automatickeho sitovani CMDELE_Y CMDELE_Y1 CMDELE_Y2
74 Okrajovaacute podmiacutenka a nastaveniacute budiciacuteho pr ůběhu okrajova podminka FLST244ORDE4 FITEM214 FITEM212 FITEM27 FITEM25 DLP51X AZ0 nastaveni zatizeni parametry budici proudove hustoty f=35e3 frekvence signalu [Hz] part=600 pocet kroku signalu T_min=0 pocatek casove osy T_max=1f konec casove osy dt=T_maxpart casovy krok parametry prudove hustoty pi=4atan(1) s=pir12 I=600sqrt(2) N1=1 J1_a=IN1s definovani vzestupne casti pulsu tau=3 DIMJexTABLE5011timeJ Jex(11)=0
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
5
Jex(10)=0 doi2501 Jex(i1)=(J1_a)(1-exp(-itau)) Jex(i0)=(i) enddo definovani sestupne casti pulsu tau=3 DIMJex1TABLE5011timeJ Jex1(11)=J1_a Jex1(10)=0 doi2501 Jex1(i1)=(J1_a)(exp(-itau)) Jex1(i0)=(i) enddo sestaveni celeho pulsu DIMJex2TABLE10011timeJ Jex2(11)=0 Jex2(10)=0 doi2501 Jex2(i1)=Jex(i1) Jex2(i0)=(i) enddo doi511001 Jex2(i1)=Jex1(i-501) Jex2(i0)=(i) enddo priprava nulovych vektoru kladneho a zaporneho prubehu J DIMJ1TABLE60011timeJ DIMmJ1TABLE60011timeJ doi16001 J1(i0)=(i-1)dt time J1(i1)=0 J mJ1(i0)=(i-1)dt time mJ1(i1)=0 -J enddo vlozeni prvniho pulsu doi11001 J1(i1)=Jex2(i1) mJ1(i1)=-Jex2(i1) enddo vlozeni druheho pulsu doi3004001 J1(i1)=-Jex2(i-3001) mJ1(i1)=Jex2(i-3001) enddo prirazeni prubehu k plocham PREP7 FLST215ORDE1 FITEM28 BFAP51XJSJ1 FLST215ORDE1 FITEM29 BFAP51XJSmJ1
75 Nastaveniacute analyacutezy SOL prepnuti do Solution modu - nastaveni analyzy kroku=300 pocet kroku simulace ANTYPE4 TRNOPTFULL
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
6
NSUBSTkroku00 OUTRESERASE OUTRESALL1 TIMET_max solve spusti vypocet ulohy
76 Postprocessing POST1 prepne do Preprocesing modu krokyb=200 pocet kroku na delku coilgapu L=03 delka Rx snimace hrx1=(h2)+10e-3 jednotlive vyskove pozice Rx vinuti hrx2=(h2)+526e-3 hrx3=(h2) hrx4=((h2)-526e-3) hrx5=((h2)-10e-3) vytvoreni pole hodnot - 10 sloupcu x 300 radku sloupce odpovidaji poctu jednotlivych civek 2x5 (5 poloh horni a dolni civka) DIMTOKTABLEkroku101SUBSTEP TOK(00)=0 TOK(01)=0 TOK(02)=0 TOK(03)=0 TOK(04)=0 TOK(05)=0 TOK(06)=0 TOK(07)=0 TOK(08)=0 TOK(09)=0 TOK(010)=0 dok1kroku1 hlavni cyklus pocet cyklu odpovida poctu kroku analyzy APPEND 1 k nacteni k-teho kroku analyzy tato cast kodu je nutna pro kazdou civku zvlast (10x se opakuje) PATHHORNI26krokyb-1 definovani cesty horni civky PPATH10-c2hrx10 levy koncovy bod PPATH20c2hrx10 pravy koncovy bod PDEF BYAVG namapovani Y-slozky magneticke indukce B PCALCINTGINT_HORBYXGL vypocet integralu z By podle dX PBCPATH 0 PAGETHORNI1_TABL ulozeni hodnot ziskanych na definovane ceste do pole HORNI1_ PADELALL smazani cesty i s hodnotamy (pole HORNI1_ zustava) konec opakujici se casti prirazovani posledni hodnoty integralu do prislusneho pole vysledku TOK(k0)=k casova osa TOK(k1)=HORNI1_(krokyb6) TOK(k2)=DOLNI1_(krokyb6) TOK(k3)=HORNI2_(krokyb6) TOK(k4)=DOLNI2_(krokyb6) TOK(k5)=HORNI3_(krokyb6) TOK(k6)=DOLNI3_(krokyb6) TOK(k7)=HORNI4_(krokyb6) TOK(k8)=DOLNI4_(krokyb6) TOK(k9)=HORNI5_(krokyb6) TOK(k10)=DOLNI5_(krokyb6) DELPRM_ smaze vsechny pole vysledku koncici znakem _ enddo konec cyklu zapis_tok odkaz na skript pro zapsani pole vysledku do souboru txt
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
7
77 Makro Vyacutepis makra ktereacute uklaacutedaacute hodnoty do souboru tok_fitxt
MWRITETOK(111)tok_fitxt vytvori soubor tok_fitxt a ulozi do
nej matici vysletku TOK
(10E135) urcuje format zapisu hodnot - 10
sloupcu cisel o celkove delce 13ti
znaku z toho 5 za desetinou teckou
CFCLOS uzavre soubor
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
8
Eviden čniacute list
Souhlasiacutem s tiacutem aby moje bakalaacuteřskaacute praacutece byla půjčovaacutena k prezenčniacutemu studiu v
Univerzitniacute knihově ZČU v Plzni
Datum Podpis
Uživatel stvrzuje svyacutem čitelnyacutem podpisem že tuto bakalaacuteřskou praacuteci použil ke studijniacutem
uacutečelům a prohlašuje že ji uvede mezi použityacutemi prameny
Jmeacuteno Fakultakatedra Datum Podpis
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
22
průběhy na obou vyacutevodech stejneacute magnetickeacute toky v TR vyvolaneacute proudem působiacute proti sobě
a na sekundaacuterniacute vinutiacute se neindukuje žaacutedneacute napětiacute Dojde-li k narušeniacute magnetickeacuteho pole
uvnitř detekčniacuteho prostoru vznikaacute rozdiacutel naindukovaneacuteho napětiacute v leveacutem a praveacutem vodiči Rx
ciacutevky Tento rozdiacutel napětiacute maacute za naacutesledek tok proudu kteryacute se uzaviacuteraacute přes primaacuterniacute vinutiacute
TR1 a indukuje napětiacute na sekundaacuterniacute straně Toto napětiacute je daacutele zpracovaacutevaacuteno
Obr 36 Vstupniacute obvod Rx boardu
34 Princip vyhodnocovaacuteniacute Signaacutel na sekundaacuterniacutem vinutiacute transformaacutetoru TR je zpracovaacutevaacuten blokem obvodů pro
uacutepravu signaacutelu Ten obsahuje aktivniacute filtr a integračniacute člen s niacutezko-šumovyacutem operačniacutem
zesilovačem Za integračniacutem členem je měřiciacute bod kteryacute je využit při oživovaacuteniacute detektorů
Napětiacute Ub (balance signal) v tomto bodě se zobrazuje na osciloskopu a jeho maximaacutelniacute
hodnota by neměla přesaacutehnout 6 V špička - špička Čiacutem je rozkmit toho napětiacute nižšiacute tiacutem lze
dosaacutehnout vyššiacute citlivosti detektoru (kap 35 Vyvažovaacuteniacute detektoru) Nuloveacuteho rozkmitu
nelze dosaacutehnout mimo jineacute kvůli vyacuterobniacutem toleranciacutem zařiacutezeniacute a nehomogenitaacutem Citlivost
elektronickyacutech čaacutestiacute je velmi vysokaacute a uplatňujiacute se rušiveacute vlivy při jejich činnosti (vliv
teploty mechanickeacute chvěniacute) Napětiacute Ub odpoviacutedaacute vyrovnaacutevaciacutemu proudu v Rx ciacutevkaacutech
Přiacuteklad jeho průběhu bez kontaminantu je na obr 37
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
23
Obr 37 Přiacuteklad průběhu napětiacute Ub
Napětiacute Ub je přivaacuteděno na dva samostatneacute elektronickeacute obvody (řiacutezeneacute usměrňovače)
ovlaacutedaneacute řiacutediacuteciacutemi napětiacutemi z mikrokontroleru (na Tx boardu) Dvě řiacutediacuteciacute napětiacute jednoho
usměrňovače jsou vůči sobě o π posunuty a zaacuteroveň jsou posunuty o π2 proti dvěma řiacutediacuteciacutem
napětiacutem druheacuteho usměrňovače Vyacutesledkem jsou dva napěťoveacute signaacutely (P a Q) ktereacute jsou daacutele
zpracovaacutevaacuteny (integrace zesiacuteleniacute) s možnostiacute ručniacute volby zesiacuteleniacute ve čtyřech stupniacutech
(ovlaacutedaacuteniacute citlivosti detektoru) Tyto signaacutely jsou již nositelem informace a jsou na Control
boardu převedeny do digitaacutelniacute podoby Takto upraveneacute signaacutely jsou vyhodnocovaacuteny
algoritmy v hlavniacutem mikrokontroleru
35 Vyvažovaacuteniacute detektoru Zaacutekladem kvalitniacute a stabilniacute detekce je ciacutevkovyacute systeacutem Aby se dosaacutehlo co nejlepšiacuteho
vyvaacuteženiacute ciacutevek je nutnaacute přesnaacute bytelnaacute a rozměrově staacutelaacute konstrukce Detektory společnosti
Loma Systems sro majiacute ciacutevky uloženeacute ve vyfreacutezovanyacutech draacutežkaacutech a zajištěneacute epoxidovyacutem
lepidlem I přes to je detektor po osazeniacute elektronikou značně nevyvaacuteženyacute balančniacute napětiacute Ub
překračuje požadovanou hodnotu 6 V špička - špička natolik že může dojiacutet i k saturaci
elektronickyacutech obvodů Je tedy nutneacute ciacutevkovyacute systeacutem vyvaacutežit (vybalancovat)
Nejprve se provede hrubeacute laděniacute spočiacutevajiacuteciacute v tvarovaacuteniacute maleacute smyčky Tx vinutiacute v čele
detektoru obr 38
0 T2 T
25 V Ub
-25 V
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
24
Obr 38 Vyvažovaciacute očko na Tx vinutiacute a vlepenyacute pliacutešek uvnitř detekčniacuteho otvoru
Tato smyčka plniacute funkci kompenzačniacuteho vinutiacute po natvarovaacuteniacute je očko zaliteacute epoxidovyacutem
lepidlem U detektorů s vnitřniacute uacutepravou detekčniacuteho otvoru modryacutem epoxidem se do
detekčniacuteho otvoru daacutele vlepujiacute vyvažovaciacute pliacutešky různyacutech tvarů a velikostiacute (od 1 cm2 do 4
cm2) obr 38 ktereacute se naacutesledně zalijiacute do roviny modryacutem epoxidem Jako materiaacutel
vyvažovaciacutech pliacutešků je použita nerezovaacute ocel ANSI 304 (DIN 14301) tloušťky 2 mm Druhyacute
typ detektorů s odolnyacutem plastovyacutem povrchem (typ US) neumožňuje vlepovaacuteniacute pliacutešků
dovnitř detekčniacuteho otvoru Balancovaacuteniacute se tedy provaacutediacute přesnějšiacutem tvarovaacuteniacutem Tx očka
popřiacutepadě vlepovaacuteniacutem pliacutešků v jeho okoliacute
Pro jemneacute doladěniacute se u obou těchto variant (US typ a klasickyacute s modrou epoxidovou
vyacuteplniacute detekčniacuteho otvoru) osazujiacute balančniacute moduly obr 39 ktereacute na plastoveacutem otočneacutem diacutelu
majiacute tuning block o rozměrech cca 05 cm2 z 5 mm tlusteacuteho nerezu Oba balančniacute moduly
umožňujiacute pohyb tuning blocku v okoliacute vyvažovaciacuteho očka
Obr 39 Balančniacute moduly i s kryciacutemi plechy vlevo US vpravo klasickyacute
Tyto moduly nejsou přiacuteliš efektivniacute a sloužiacute pouze k miacuterneacutemu vyvaacuteženiacute Použiacutevajiacute se dva typy
Tuning block
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
25
těchto modulů podle varianty vnitřniacute vyacuteplně detektoru (US typ a klasickyacute s modrou
epoxidovou vyacuteplniacute detekčniacuteho otvoru) Jedniacutem z přijatyacutech naacutevrhů pro vylepšeniacute detektorů s
modrou epoxidovou vyacuteplniacute je použitiacute stejneacuteho balančniacuteho modulu jako u detektoru typu US
Vyacuterobniacute cena US balančniacuteho modulu je podstatně nižšiacute a umožňuje změnu polohy
vyvažovaciacuteho diacutelu nejen po obvodu kružnice ale i změnu vzdaacutelenosti mezi rovinami očka a
tuning bloku Změna teacuteto vzdaacutelenosti se využije v přiacutepadě kdy po osazeniacute detektoru s modrou
epoxidovou pryskyřiciacute balančniacutem modulem dojde ke zhoršeniacute vyvaacuteženiacute ktereacute pouhyacutem
natočeniacutem po kružnici nelze vykompenzovat Použiacutevaacuteniacutem pouze balančniacuteho modulu typu
US by se dosaacutehlo sniacuteženiacute počtu součaacutestek ve vyacuterobniacutem procesu sniacuteženiacute naacutekladů na vyacuterobu
detektoru s modrou epoxidovou vyacuteplniacute detekčniacuteho prostoru a odstranil by se i probleacutem
vznikajiacuteciacute při osazeniacute těchto detektorů balančniacutemi moduly
Dalšiacute naacutevrh se tyacutekal materiaacutelu použiteacuteho na tuning block Snahou bylo zvyacutešit vliv
tuning bloku natolik aby bylo možneacute vynechat kompenzačniacute očko čiacutemž by došlo k urychleniacute
laděniacute Byly testovaacuteny materiaacutely FeNi47ln5 tloušťky 03 mm a FeNi42 tloušťky 04 mm Byl
zvolen tvar kteryacute umožňoval použitiacute staacutevajiacuteciacutech US modulů obr 310 Vliv tuning blocků
se sice zvyacutešil nicmeacuteně ne natolik aby mohlo byacutet vyvažovaciacute očko zcela vynechaacuteno
Obr 310 Prototypy tuning blocků z novyacutech materiaacutelů
36 Vyacutestupniacute kontrola Před samotnou expediciacute detektoru je nutneacute proveacutest kontrolu detekce Kvalita detekce
je ověřovaacutena třemi typy kontaminantů neželeznyacute - NONFE (mosaz) železnyacute - FE (chromovaacute
ocel) a nerezovyacute - SS (ANSI 304) K tomu jsou určeny přiacutepravky na obr 311 a 312 Jednaacute
se o kuličky definovanyacutech průměrů ktereacute jsou zaliteacute v plastovyacutech tyčinkaacutech opatřenyacutech
rozměrovou specifikaciacute kontaminantu Barva tyček odlišuje použityacute typ kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
26
Obr 311 Testovaciacute vzorky pro dopravniacutekoveacute detektory
Obr 312 Testovaciacute vzorky pro farmaceutickeacute detektory
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
27
4 Optimalizace a stiacuten ěniacute detektoru Jedniacutem z bodů teacuteto praacutece je navrženiacute optimalizaciacute průmysloveacuteho detektoru kovu z
hlediska kvality detekce a vyšetřeniacute elektromagnetickeacuteho pole s ohledem na rušiveacute vlivy Z
počaacutetku byly provaacuteděny pokusy se stiacuteněniacutem ciacutevek s ohledem na rušeniacute vnějšiacutem
elektromagnetickyacutem polem Prvniacute uacutevahy vedly k použitiacute stiacuteniacuteciacuteho materiaacutelu s velkou
permeabilitou kteryacute by do sebe soustředil většiacute množstviacute indukčniacutech čar unikajiacuteciacutech do okoliacute
a tiacutem omezil vnějšiacute rušeniacute Na zaacutekladě teacuteto uacutevahy byly testovaacuteny dva materiaacutely FeNi47ln5
tloušťky 03 mm a FeNi42 tloušťky 04 mm ktereacute mohou dosahovat relativniacute permeability až
micror_12106 [5] Těmito pokusy se sice sniacutežilo množstviacute indukčniacutech čar magnetickeacuteho pole
unikajiacuteciacuteho z detektoru ale vlivem přiacuteliš velkeacute permeability bylo ovlivněno i pole uvnitř
detekčniacuteho prostoru kde došlo ke sniacuteženiacute citlivosti Tento naacutevrh měl dalšiacute negativniacute faktory
jako je vysokaacute cena použityacutech materiaacutelů a omezeneacute vyacuterobniacute možnosti nedostačujiacuteciacute šiacuteřkou
paacutesů což by vedlo ke sklaacutedaacuteniacute plechů vedle sebe a tiacutem ke vzniku nehomogenit
Aby byly optimalizace efektivniacute je třeba znaacutet rozloženiacute elektromagnetickeacuteho pole
uvnitř detektoru a vlivy ktereacute na něj působiacute Proto bylo přistoupeno k využitiacute počiacutetačoveacuteho
softwaru Ansys Jednaacute se o profesionaacutelniacute software založenyacute na metodě konečnyacutech prvků Je
určen předevšiacutem pro simulace mechanickeacuteho namaacutehaacuteniacute ale umožňuje i řešeniacute teplotniacutech
elektromagnetickyacutech a sdruženyacutech poliacute [6] Ansys byl vybraacuten předevšiacutem pro možnost řešeniacute i
3D probleacutemů V teacuteto praacuteci bylo z důvodů vyacutepočetniacute naacuteročnosti a velkeacuteho množstviacute
jednotlivyacutech vyacutepočtů přistoupeno k řešeniacute probleacutemu pouze ve dvourozměrneacutem prostoru V
tomto přiacutepadě je řešeno nestacionaacuterniacute magnetickeacute pole ktereacute popisuje rovnice (41) [7]
( ) extr JArotdt
dABArotrot =timesminus+
minus γυγmicro1
(41)
kde
BArot = (42)
A magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel
micro permeabilita
Br remanentniacute indukce
B magnetickaacute indukce
γ měrnaacute elektrickaacute vodivost
ν rychlost pohybu tělesa v magnetickeacutem poli
Jext vektor vnějšiacute proudoveacute hustoty
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
28
41 Vyšet řovaacuteniacute vlivu pozice Rx vinutiacute Nejprve byly provedeny simulace staacutevajiacuteciacuteho zařiacutezeniacute o rozměrech detekčniacuteho otvoru
150 mm x 350 mm Zaacutekladniacute geometrie probleacutemu je na obraacutezku 41 Pro řešeniacute zaacutekladniacuteho
probleacutemu by bylo možneacute použiacutet symetrii modelu pokud však model doplniacuteme o kontaminant
možnost teacuteto symetrie odpadaacute Byly provedeny tři seacuterie vyacutepočtů ktereacute se lišily materiaacutelem
kontaminantu Každaacute seacuterie se sklaacutedala z 24 samostatnyacutech vyacutepočtů ve kteryacutech se postupně
měnila pozice kontaminantu tak jako je tomu při skutečneacute situaci na dopravniacutem paacutesu
Použityacutem APDL skriptem by bylo možneacute řešit i průchody kontaminantu v různyacutech vyacuteškaacutech
detekčniacuteho otvoru Pro potřeby těchto vyacutepočtů byl průchod zvolen středem jelikož je zde
citlivost detektoru nejnižšiacute Nutno poukaacutezat na skutečnost že kontaminant reprezentovanyacute
kružniciacute v řezu detektoru nelze považovat za kulovyacute nyacutebrž za vodič kruhoveacuteho průřezu
stejneacute deacutelky jako Tx respektive Rx vinutiacute Rozmeziacute pohybu kontaminantu bylo od -230 mm
do 230 mm vůči Tx vinutiacute s krokem 20 mm Obdeacutelniacuteky v okoliacute Tx vinutiacute byly vytvořeny za
uacutečelem možnosti zjemněniacute vyacutepočetniacute siacutetě v prostoru Tx a Rx vinutiacute Na obraacutezku 41 nejsou
namodelovaacuteny Rx ciacutevky neboť hodnota naindukovaneacuteho napětiacute byla ziacuteskaacutevaacutena v pěti
různyacutech vyacuteškovyacutech poziciacutech a bylo hodnoceno indukovaneacute napětiacute Ui
Obr 41 Zaacutekladniacute geometrie
nerezovyacute kryt
vodiče Tx vinutiacute
kontaminant
obdeacutelniacuteky vzduchoveacuteho okoliacute s jemnějšiacute vyacutepočetniacute siacutetiacute střed souřadneacuteho
systeacutemu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
29
411 Preprocessing - p řiacuteprava skriptu Nejprve bylo nutneacute zjistit geometrickeacute rozměry a materiaacuteloveacute konstanty zkoumaneacuteho
detektoru Geometrickeacute rozměry byly ziacuteskaacuteny z databaacuteze Solidworks modelů společnosti
Loma Systems sro V kapitole 71 je uacuteryvek APDL skriptu pro tvorbu geometrie
Materiaacutely použiteacute v modelu jsou vzduch vodiče Tx vinutiacute nerezovyacute obal detektoru a
materiaacutely kontaminantů V raacutemci zjednodušeniacute modelu nebyly uvažovaacuteny PVC izolace Tx
vinutiacute samotneacute Tufneloveacute jaacutedro a materiaacutel s niacutemž je prostor mezi jaacutedrem a nerezovyacutem
krytem vyplněn neboť tyto materiaacutely vykazujiacute z pohledu šiacuteřeniacute elektromagnetickeacuteho pole
stejneacute vlastnosti jako vzduch Konkreacutetniacute hodnoty materiaacutelovyacutech konstant viz tabulka 41
odpor Tx vinutiacute nebyl uvažovaacuten neboť jeho plochy byly zatiacuteženy definovanou proudovou
hustotou tudiacutež neniacute možneacute uvažovat přiacutepadně naindukovaneacute viacuteřiveacute proudy Daacutele bylo nutneacute
zvolit a spraacutevně nastavit použiteacute elementy modelu
Tab 41 Materiaacuteloveacute vlastnosti
měrnaacute
permeabilita [-] měrnyacute elektrickyacute
odpor [Ωm]
vzduch 1 -
Tx vinutiacute 1 -
nerezovaacute ocel (ANSI 304 DIN 14301)
1008 [10] 72010-7
neželeznyacute kontaminant (mosaz)
1 75010-8
železnyacute kontaminant (chromovaacute ocel)
400 12010-7
nerezovyacute kontaminant (ANSI 304 DIN 14301) 1008 72010-7
Jako elementy daneacuteho modelu byly zvoleny elementy PLANE53 určeneacute pro řešeniacute
magnetickeacuteho pole Jednaacute se o osmi uzloveacute elementy ktereacute mohou miacutet až čtyři stupně
volnosti na uzel Stupně volnosti mohou byacutet magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel (AZ) časově
integrovanyacute elektrickyacute skalaacuterniacute potenciaacutel (VOLT) elektrickyacute proud (CURR) a
elektromotorickaacute siacutela (EMF) [6] Geometrie elementu na obr 42
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
30
Obr 42 Geometrie elementu PLANE53 [6]
Uacuteryvek koacutedu v kapitole 72 obsahuje definovaacuteniacute materiaacutelovyacutech vlastnostiacute definovaacuteniacute
elementů a jejich nastaveniacute V dalšiacute časti bylo nutneacute jednotliveacute materiaacutely a elementy přiřadit
danyacutem plochaacutem
Daacutele bylo zapotřebiacute nastavit atributy pro automatickeacute siacuteťovaacuteniacute oblasti Je nutneacute aby v
tenkyacutech a malyacutech plochaacutech byla vyššiacute hustota siacutetě než na velkyacutech plochaacutech kde postačuje siacuteť
řidšiacute Velmi důležitaacute je kompatibilita siacutetě proto byla v okoliacute Tx vodičů vytvořena
obdeacutelniacutekovaacute oblast s hustšiacute siacutetiacute viz uacuteryvek koacutedu v přiacuteloze 73
Obr 43 Detailniacute pohled na siacuteť elementů
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
31
V posledniacute čaacutesti preprocessingu byla definovaacutena Dirichletova okrajovaacute podmiacutenka
udaacutevajiacuteciacute magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel roven nule na vnějšiacute hrany vzduchoveacuteho okoliacute a
průběh budiacuteciacute proudoveacute hustoty v Tx vodičiacutech V horniacutem a dolniacutem vodiči měly toky opačnyacute
smysl proto bylo nutneacute vytvořit dva vektory hodnot J1 (obr 44) a mJ1 V posledniacute řadě bylo
provedeno přiřazeniacute průběhů k plochaacutem viz kapitola 74
Obr 44 Průběh proudoveacute hustoty v ploše Tx vodiče
Ansys byl do Solution modu přepnut přiacutekazem SOL kde se provedlo nastaveniacute
analyacutezy a byl spuštěn vyacutepočet viz kapitola 76
412 Postprocessing - ziacuteskaacutevaacuteniacute vyacutesledk ů Ciacutelem teacuteto čaacutesti bylo zjištěniacute průběhů naindukovanyacutech napětiacute Ui v zaacutevislosti na čase
pro různeacute vyacuteškoveacute pozice přijiacutemaciacutech ciacutevek Rx Pro indukovaneacute napětiacute platiacute vztah
( )Vndt
dU i sdotΦminus= (43)
kde
( )TdxBlx
x
Yint sdotsdot=Φ2
1
(44)
n počet zaacutevitů Rx vinutiacute
l deacutelka Rx vinutiacute ve směru osy Z
x1 a x2 šiacuteřka Rx vinutiacute ve směru osy X
BY složka magnetickeacute indukce v ose Y
Zadaacuteniacutem souřadnic dvou bodů se nadefinovala uacutesečka (cesta) na kterou byly s určityacutem
J (Am-2)
kroky vyacutepočtu (-)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
32
krokem zaznamenaacuteny hodnoty magnetickeacute indukce BY Průběh BY v zaacutevislosti na souřadnici X
je na obr 45
Obr 45 Průběh magnetickeacute indukce BY v zaacutevislosti na souřadnici X
Obr 46 Průběh magnetickeacuteho toku Φ v zaacutevislosti na souřadnici X
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
33
Integrovaacuteniacutem průběhu BY se ziacuteskal průběh magnetickeacuteho indukčniacuteho toku Φ obr 46
Magnetickyacute indukčniacute tok Φ je roven určiteacutemu integraacutelu (rovnice 44) průběhu BY obr 45 Z
toho vyplyacutevaacute že magnetickyacute indukčniacute tok je roven posledniacute hodnotě průběhu na obr 46
Tato hodnota se vynaacutesobila deacutelkou Rx vinutiacute Postup vyacutepočtu se opakoval pro všechny pozice
Rx vinutiacute a to v každeacutem kroku transientniacute analyacutezy Tiacutem se ziacuteskala zaacutevislost magnetickeacuteho
indukčniacuteho toku Φ na čase t V programu MS Excel se vynaacutesobil tok počtem zaacutevitů Rx vinutiacute
a byla provedena derivace podle času (rovnice 43) Takto byly zpracovaacuteny vyacutesledky pro
všechny pozice kontaminantu vůči Tx vinutiacute APDL skript pro ziacuteskaacutevaacuteniacute hodnot viz kapitola
76 a v kapitole 77 je vyacutepis makra ktereacute uklaacutedaacute hodnoty do souboru
413 Hodnoceniacute vyacutesledk ů Vypočteneacute hodnoty Ui ve všech pěti vyacuteškovyacutech poziciacutech hrx byly vyneseny do grafů v
zaacutevislosti na čase Pokud se vynesou do jednoho grafu průběhy indukovanyacutech napětiacute pro
každou pozici kontaminantu v daneacute vyacutešce lze sledovat odezvu indukovaneacuteho napětiacute na
polohu kontaminantu Jelikož byly provedeny tři seacuterie vyacutepočtů s různyacutemi kontaminanty lze
porovnat i tvary přijiacutemanyacutech signaacutelu pro jednotliveacute materiaacutely Ciacutelem teacuteto čaacutesti je porovnat
signaacutely ziacuteskaacutevaneacute v různyacutech vyacuteškovyacutech polohaacutech Rx vinutiacute a vybrat nejvhodnějšiacute signaacutel pro
detekci
Na naacutesledujiacuteciacutech grafech jsou znaacutezorněny napěťoveacute průběhy během jedneacute periody v
zaacutevislosti na poloze kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
34
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 47 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 48 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
35
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 49 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 410 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
36
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 411 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 5)
Na obraacutezciacutech 47 až 411 jsou zobrazeny průběhy odpoviacutedajiacuteciacute průchodu železneacuteho
kontaminantu s relativniacute permeablitou 400 a měrnyacutem elektrickyacutem odporem 10210-7 Ωm Na
průběziacutech 47 48 a 411 lze pozorovat sice nižšiacute hodnotu signaacutelu ale celkovaacute deformace
během průchodu kontaminantu je většiacute
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 412 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
37
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 413 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 414 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
38
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 415 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 416 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce5)
Na obraacutezciacutech 412 až 416 jsou zobrazeneacute průběhy odpoviacutedajiacuteciacute průchodu kontaminantu z
nerezu ANSI 304 s relativniacute permeablitou 1008 a měrnyacutem elektrickyacutem odporem 7210-7
Ωm Při porovnaacuteniacute s předchoziacutem kontaminantem je změna signaacutelu nižšiacute což odpoviacutedaacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
39
předpokladům o obtiacutežnějšiacute detekci nerezovyacutech kontaminantů
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 417 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 418 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
40
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 419 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 420 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
41
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 421 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 5)
Na obraacutezciacutech 417 až 421 jsou zobrazeny průběhy odpoviacutedajiacuteciacute neželezneacutemu
kontaminantu (mědi) s parametry relativniacute permeablita 1 a měrnyacute elektrickyacute odpor 7510-8
Ωm Průběh signaacutelu je velmi podobnyacute signaacutelům nerezoveacuteho kontaminantu
Porovnaacuteniacutem všech grafů (obr 47 - obr 422) je obecně vidět že u průběhů ve vyacutešce
3 a 4 je zisk signaacutelu pro všechny modelovaneacute kontaminanty největšiacute Dochaacuteziacute zde ale ke
změně amplitudy pouze v jednom smyslu což z hlediska vyhodnocovaciacutech algoritmů zlepšeniacute
detekce vylučuje Naproti tomu je u signaacutelu ve vyacutešce 5 znatelně vyššiacute amplituda než v
použiacutevaneacute vyacutešce 2 Na zaacutekladě tohoto zjištěniacute bude zhotoven prototyp detektoru za uacutečelem
ověřeniacute teoretickyacutech vyacutesledků
Na obraacutezku 422 je ukaacutezka grafickeacuteho vyacutestupu zobrazujiacuteciacuteho vektory proudoveacute
hustoty naindukovaneacute v nerezoveacutem krytu a v kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
42
Obr 422 Vektory proudovyacutech hustot naindukovanyacutech do kontaminantu a nerezoveacuteho krytu
Obraacutezek 423 zobrazuje kontury magnetickeacuteho pole ve stejneacutem časoveacutem kroku jako obr
422 Pole ktereacute je konturami zobrazeno je tvořeno praacutevě proudovou hustotou obr 422 Je
zde možneacute pozorovat jak se pole deformuje přiacutetomnyacutem kontaminantem
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
43
Obr 423 Kontury magnetickeacuteho vektoroveacuteho potenciaacutelu s viditelnou deformaciacute pole způsobenou
feromagnetickyacutem kontaminantem
42 Vyšet řovaacuteniacute množstviacute vyza řovaneacute energie V teacuteto čaacutesti se vychaacutezelo z předpokladu že intenzita elektromagnetickeacuteho pole uvnitř
detektoru je mnohem většiacute než elektromagnetickyacute šum kteryacute do detektoru vnikaacute z okoliacute
Proto lze předpoklaacutedat že rušeniacute bude způsobeno předevšiacutem deformaciacute vlastniacuteho
vyzařovaneacuteho pole v bliacutezkeacutem okoliacute detektoru To vede ke snaze snižovat množstviacute vlastniacuteho
vyzaacuteřeneacuteho pole ven z detektoru aby nemohlo byacutet deformovaacuteno okolniacutemi předměty
421 Řešeniacute probleacutemu Bylo porovnaacuteno pět variant detektorů bez průchodu kontaminantu Každaacute varianta se
řešila jedniacutem vyacutepočtem z čehož plyne malaacute časovaacute naacuteročnost a proto byly probleacutemy řešeny
bez využitiacute symetrie Prvniacute byl staacutevajiacuteciacute detektor o tloušťce kryciacuteho nerezoveacuteho plechu 3 mm
druhyacute byl stejneacute geometrie ale za použitiacute silnějšiacuteho 5 mm tlusteacuteho nerezu Třetiacute typ měl
tloušťku 3 mm ale na horniacute a dolniacute stěně bylo přidaacuteno dalšiacute stiacuteněniacute z nerezu ve tvaru T (obr
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
44
426) Posledniacute dva naacutevrhy měly pravouacutehlyacute tvar krytu celkově menšiacutech rozměrů z nichž jeden
byl jednoduchyacute o tloušťce 3 mm (obr 427) a druhyacute měl shora a zdola dvojiteacute dno z nerezu
tloušťky 3 mm (obr_428) Touto metodou by se dalo porovnaacutevat mnohem většiacute množstviacute
provedeniacute ktereacute by se mohly lišit i použityacutem materiaacutelem Vzduchoveacute okoliacute detektoru bylo
rozděleno na čtyři sektory v nichž se sečetly hodnoty magnetickeacute energie jednotlivyacutech
elementů v každeacutem kroku analyacutezy a tiacutem se ziacuteskal průběh množstviacute energie v daneacutem prostoru
na čase Objemovaacute hustota magnetickeacute energie byla zjišťovaacutena ve všech plochaacutech daneacute
geometrie a bylo možno sledovat jak se energie v čase přemisťuje
Obr 424 Geometrie varianty 3 mm
Obr 425 Geometrie varianty 5 mm
Obr 426 Geometrie varianty 3 mm-stineni
Obr 427 Geometrie varianty novy 1
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
45
Obr 428 Geometrie varianty novy 2
Přiacuteprava skriptů se od předchoziacutech vyacutepočtů lišila pouze v geometrii jinak byla
principiaacutelně stejnaacute Rozdiacutel byl však v čaacutesti post-processingu (ziacuteskaacutevaacuteniacute vyacutesledků) Aby bylo
možno přistupovat k jednotlivyacutem sektorům musel byacutet každyacute sektor definovaacuten vlastniacutem typem
elementů (elementy byly použity stejneacute jednaacute se pouze o čiacuteslovaacuteniacute) Byly použity osmkraacutet
elementy PLANE53
ET153 Tx vinuti ET253 prostor uvnitr detektoru ET353 nerezovy obal ET453 detekcni prostor ET553 vzduchove okoli - horni ET653 vzduchove okoli - pravy ET753 vzduchove okoli - dolni ET853 vzduchove okoli - levy
Přiacuteklad načiacutetaacuteniacute vyacutesledků pro jeden typ elementů
POST1 prepnutiacute do postprocesoru allsel oznaceni vsech elementu vytvoreni pole pro ukadani hodnot DIMenergie1TABLEkroku11timeE zapsani nulovych hodnot na zacatek vektoru vysledku energie1(00)=0 energie1(01)=0 cyklus ve kterem se nacitaji vysledky jednotlivych kroku simulace doi1kroku1 APPEND 1 i nacteni daneho kroku eseltype1 vybrani elementu typu 1 GET e_count1 ELEM count vraci mnozstvi elementu daneho typu GET e_next ELEM 0 NXTH vraci nejnizsi adresu elementu daneho typu v promenne e_next energ1=0 vynulovani promenne cyklus ktery postupne prochazi vsechy elementy daneho typu doj1e_count11 GET e_energ1 ELEM e_next SENE ulozi do promene e_energ1 mnozstvi energie v elementu s adresou e_next
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
46
GET e_next ELEM e_next NXTH posune adresu elementu o jedna energ1=energ1+e_energ1 pricte mnozstvi energie e_energ1 do kumulativni promnenne energ1 enddo konec vnitrniho cyklu energie1(i0)=i zapise do pole vysledku cislu jirju simulace energie1(i1)=energ1 zapise do pole vysledku mnozstvi energie v cele plose s elementy daneho typu enddo konec vnejsiho cyklu zapis_energ zavolani makra pro zapis vysledku do souboru
422 Hodnoceniacute vyacutesledk ů V jednotlivyacutech sektorech se provedla suma magnetickeacute energie pro každyacute krok
simulace Vyacutesledkem jsou průběhy množstviacute energie v daneacute ploše v zaacutevislosti na krociacutech
simulace (čase) Jednotliveacute varianty byly hodnoceny na zaacutekladě porovnaacuteniacute průběhů se
staacutevajiacuteciacutem detektorem
Energie v Tx vinutiacute
000E+00
100E-03
200E-03
300E-03
400E-03
500E-03
600E-03
700E-03
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 429 Energie v Tx vinutiacute
Na grafu (obr 429) je vidět že množstviacute energie v Tx vinutiacute neniacute zaacutevisleacute na geometrii a je
daacuteno budiacuteciacutem signaacutelem v Tx vinutiacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
47
Energie unit ř detektoru
000E+00
200E-02
400E-02
600E-02
800E-02
100E-01
120E-01
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 430 Energie uvnitř detektoru
Na obr 430 je znaacutezorněno množstviacute energie v prostoru detektoru do ktereacuteho neniacute
započiacutetaacutena detekčniacute oblast ta je zobrazena na obr 432 V teacuteto čaacutesti neniacute pozorovaacutena žaacutednaacute
vyacuteraznaacute změna
Energie v nerezoveacutem obalu
000E+00
500E-05
100E-04
150E-04
200E-04
250E-04
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 431 Energie v nerezoveacutem obalu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
48
Vyacuteraznějšiacute změny se odehraacutevajiacute v nerezoveacutem obalu Nejmenšiacute množstviacute energie je v klasickeacute
3 mm tlusteacute a v 5 mm tlusteacute variantě U klasickeacute varianty se stiacuteněniacutem a u novyacutech naacutevrhů je
naacuterůst způsoben přibliacuteženiacutem nerezu k Tx vinutiacute
Energie v prostoru detek čniacuteho otvoru
000E+00
500E-03
100E-02
150E-02
200E-02
250E-02
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 432 Energie v prostoru detekčniacuteho otvoru
V oblasti detekčniacuteho otvoru je snaha o uchovaacuteniacute co největšiacuteho množstviacute energie neboť
zmenšeniacute energie vede ke sniacuteženiacute odezvy na kontaminant tedy ke sniacuteženiacute citlivosti detektoru
Z obr 432 je patrneacute že geometrickeacute uacutepravy detektoru (3 mm se stiacuteněniacutem novy 1 a novy 2)
vedou ke sniacuteženiacute množstviacute energie v tomto prostoru
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
49
Energie v horniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
100E-07
200E-07
300E-07
400E-07
500E-07
600E-07
700E-07
800E-07
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 433 Energie v horniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Energie v dolniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
100E-07
200E-07
300E-07
400E-07
500E-07
600E-07
700E-07
800E-07
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 434 Energie v dolniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Porovnajiacute-li se obr 433 a 434 je u variant 1 - 3 možneacute pozorovat rozdiacutely mezi horniacute a dolniacute
plochou Je zde na prvniacute pohled vidět jak horniacute oblouk snižuje množstviacute energie unikajiacuteciacute do
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
50
okoliacute Jako uacutečinneacute se z pohledu těchto sektorů jeviacute varianta klasickeacuteho detektoru se stiacuteněniacutem a
novyacute naacutevrh s dvojityacutemi stěnami
Energie v praveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
500E-06
100E-05
150E-05
200E-05
250E-05
300E-05
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 435 Energie v praveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Energie v leveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
500E-06
100E-05
150E-05
200E-05
250E-05
300E-05
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 436 Energie v leveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
51
Pravyacute a levyacute sektor je z důvodů symetrie stejnyacute na obrazciacutech 435 a 436 lze pozorovat tzv
metal free zoacutenu kteraacute se u detektorů udaacutevaacute Jednaacute se o prostor před a za detekčniacutem otvorem
ve ktereacutem se nesmiacute nachaacutezet žaacutednyacute kovovyacute materiaacutel (z důvodu ovlivňovaacuteniacute pole) snahou je
tuto zoacutenu co nejviacutece zmenšit Z grafů je patrneacute že novyacute naacutevrh s dvojityacutemi stěnami vykazuje
nejmenšiacute množstviacute energie v teacuteto oblasti Naopak u klasickeacute varianty se stiacuteněniacutem došlo k
vytlačeniacute pole z vnitřku detektoru praacutevě do těchto okolniacutech zoacuten
Na zaacutekladě těchto poznatků bude provedeno ověřeniacute na skutečnyacutech zařiacutezeniacutech Mezi
použitelneacute varianty připadaacute klasickaacute konstrukce doplněnaacute o stiacuteněniacute a novyacute naacutevrh s dvojityacutemi
stěnami U toho je však velkaacute hrozba sniacuteženiacute citlivosti způsobeneacute menšiacutem množstviacutem energie
v detekčniacutem prostoru
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
52
5 Zaacutevěr Ciacutelem předklaacutedaneacute praacutece je zlepšeniacute činnosti detektorů kovů přiacutepadně uacuteprava
technologie vyacuteroby při současneacutem sniacuteženiacute vyacuterobniacutech naacutekladů Předpokladem uacutespěšnyacutech
naacutevrhů byla podrobnaacute studie činnosti a principu těchto zařiacutezeniacute kteraacute jsou vyacuterobcem po
několik let uacutespěšně prodaacutevaacutena na světovyacutech trziacutech
Na zaacutekladě těchto požadavků byly provedeny některeacute testy ktereacute měly ověřit
předpoklaacutedanaacute zlepšeniacute Nejširšiacute možnosti přinaacutešiacute modelovaacuteniacute magnetickeacuteho pole
průmyslovyacutech detektorů počiacutetačovou simulaciacute kteraacute je zatiacutem schopna řešit zadaneacute probleacutemy
v dvourozměrneacutem prostoru Nejčastěji řešeneacute probleacutemy jsou staacutele spojeny se zaacutekladniacutem
principem činnosti těchto zařiacutezeniacute tj vlivem a působeniacutem kontaminantu na
elektromagnetickeacute pole buzeneacute ciacutevkami uvnitř detektoru a nepřiacuteznivyacute vliv vnějšiacutech rušivyacutech
poliacute např při současneacute činnosti sousedniacutech detektorů Dalšiacutem zdrojem rušivyacutech magnetickyacutech
poliacute může byacutet i činnost a přiacutetomnost různyacutech elektrickyacutech zařiacutezeniacute probleacutem spojenyacute s
vhodnyacutem materiaacutelem a tvarem stiacuteněniacute těchto zařiacutezeniacute
Vzhledem k maximaacutelniacute citlivosti elektronickyacutech obvodů a požadovaneacute pečlivosti při
balancovaacuteniacute (vyvažovaacuteniacute) se vyskytuje probleacutem kteryacute souvisiacute se staacutelostiacute nastaveniacute detektoru
při mechanickeacutem otřesu přiacutepadně odstraněniacute změn ke kteryacutem dochaacuteziacute vlivem dopravy
Dalšiacutem plaacutenovanyacutem krokem je namodelovaacuteniacute probleacutemu v trojrozměrneacutem prostoru od
ktereacuteho je očekaacutevaacuteno zohledněniacute dalšiacutech vlivů a tiacutem zpřesněniacute samotneacuteho vyacutesledku
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
53
6 Použitaacute literatura [1] Internetoveacute straacutenky společnosti Loma Systems sro
httpwwwlomacom_czindexshtml
[2] Haacutejek J Jarchovskyacute Z Detektory kovů - naacutevod na stavbu nakladatelstviacute BEN Praha
2010
[3] Beneda L Detektory kovů bakalaacuteřskaacute praacutece ZČU Plzeň 2010
[4] Internetoveacute straacutenky společnosti Ad controls sro
httpwwwadcontrolsczdetektory_kovu_zakladni_pojmy
[5] KOVOHUTĚ ROKYCANY as COMTES FHT as MATEX sro Průběžnaacute
zpraacuteva k projektu FeNi - čj 1021207 - 32 za rok (2007 - 2009)
[6] Ansys Inc ANSYS HELP Release 130 Dokumentace k programu
[7] Karban P a kolektiv autorů Aplikace teoretickeacute elektrotechniky Skripta ZČU Plzeň
2011
[8] Benešovaacute Z Ulrych B Přiacuteručka pro použitiacute programů ve vyacuteuce teorie
elektromagnetickeacuteho pole Skripta ZČU Plzeň 1997
[9] Loma Systems sro Knowledge Base - Interniacute dokumentace společnosti
[10] Internetoveacute straacutenky společnosti Aerospace specification metals Inc
httpasmmatwebcomsearchSpecificMaterialaspbassnum=MQ304A
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
1
7 Přiacutelohy
71 Tvorba geometrie PREP7 prepnuti do rezimu preprocesingu jj=8 index polohy kontaminantu r1=05e-3 polomer Tx vodice 05 mm r2=15e-3 polomer kontaminantu 15 mm c=90e-3 sirka Rx civek h=1767e-3 vzdalenost mezi Tx vinutim hrx=(h2)+526e-3 zakladni vyskova poloha mezi Rx civkami hss=175e-3 vyska nerezoveho krytu wss=150e-3 sirka nerezoveho krytu tss=3e-3 tloustka nerezove steny hd=h-227e-3 vyska detekcniho otvoru wok=1000e-3 sirka vzduchoveho okoli hok=1000e-3 vyska vzduchoveho okoli wkon=(-250e-3)+(jj20e-3) poloha kontaminantu na ose X tvorba geometrickych bodu nerezoveho krytu K1022589e-30 K2022185e-30 K3-7907e-321208e-30 K4-78e-32085e-30 K57907e-321208e-30 K678e-32085e-30 K7-wsshss0 K8-wss+tsshss-tss0 K9wsshss0 K10wss-tsshss-tss0 K11-wss-hss0 K12-wss+tss-hss+tss0 K13wss-hss0 K14wss-tss-hss+tss0 vytvoreni ploch definovanymi body FLST273 FITEM27 FITEM23 FITEM21 FITEM25 FITEM29 FITEM213 FITEM211 AP51X FLST273 FITEM28 FITEM24 FITEM22 FITEM26 FITEM210 FITEM214 FITEM212 AP51X CYL40h2r1 plocha horniho Tx vodice CYL40-h2r1 ploch dolniho Tx vodice BLC50((h2)+hrx)2100e-310e-3 plocha horniho vzduchoveho okoli Tx vodice BLC50-((h2)+hrx)2100e-310e-3 plocha dolniho vzduchoveho okoli Tx vodice BLC5002wsshd plocha detekcniho ootvoru APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch odstraneni ploch ktere budou sjednoceny se vzduchovym okolim
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
2
FLST255ORDE4 FITEM210 FITEM2-12 FITEM215 FITEM218 ADELEP51X BLC500wokhok vytvoreni plochy vzduchoveho okoli APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch CYL4wkon0r2 vytvoreni plochy kontaminantu APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch konec tvorby geometrickeho modelu
72 Definice element ů materiaacutel ů a jejich p řiřazeniacute k plochaacutem definovani materialu MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX11 material 1 Tx permeabilita 1 MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX21 material 2 Air permeabilita 1 MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX31008 material 3 nerezovy kryt SS ANSI 304 permeabilita MPTEMP MPTEMP10 MPDATARSVX372e-7 material 3 nerezoovy kryt SS Ansi 304 rezistivita MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX4400 material 4 Kontaminant permeabilita MPTEMP MPTEMP10 MPDATARSVX4102e-7 material 4 Kontaminant rezistivita definovani elementu ET153 Tx civky ET253 Vzduch ET353 nerezovy kryt ET453 kontaminant nastaveni elementu KEYOPT110 Tx civky KEYOPT120 KEYOPT130 KEYOPT140 KEYOPT150 KEYOPT170 KEYOPT210 Air KEYOPT220 KEYOPT230 KEYOPT240 KEYOPT250 KEYOPT270 KEYOPT310 SS KEYOPT320 KEYOPT330 KEYOPT340 KEYOPT350
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
3
KEYOPT370 KEYOPT410 kontaminant KEYOPT420 KEYOPT430 KEYOPT440 KEYOPT450 KEYOPT470 prirazeni elementu a materialum k plocham FLST525ORDE2 Tx FITEM58 FITEM5-9 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 1 1 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 FLST535ORDE3 Air FITEM53 FITEM516 FITEM5-17 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 2 2 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 FLST525ORDE2 SS FITEM513 FITEM5-14 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 3 3 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 CM_YAREA kontaminant ASEL 1 CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 4 4 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
4
73 Siacuteťovaacuteniacute oblastiacute FLST275ORDE7 FITEM21 FITEM28 FITEM2-9 FITEM213 FITEM2-14 FITEM216 FITEM2-17 AESIZEP51X00005 nastaveni delky steny elementu 00005 m FLST215ORDE1 FITEM23 AESIZEP51X001 nastaveni delky steny elementu 001 m MSHAPE12D nastaveni 2D trojuhelnikove site MSHKEY0 FLST585ORDE8 FITEM51 FITEM53 FITEM58 FITEM5-9 FITEM513 FITEM5-14 FITEM516 FITEM5-17 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CHKMSHAREA CMSELS_Y AMESH_Y1 spusteni automatickeho sitovani CMDELE_Y CMDELE_Y1 CMDELE_Y2
74 Okrajovaacute podmiacutenka a nastaveniacute budiciacuteho pr ůběhu okrajova podminka FLST244ORDE4 FITEM214 FITEM212 FITEM27 FITEM25 DLP51X AZ0 nastaveni zatizeni parametry budici proudove hustoty f=35e3 frekvence signalu [Hz] part=600 pocet kroku signalu T_min=0 pocatek casove osy T_max=1f konec casove osy dt=T_maxpart casovy krok parametry prudove hustoty pi=4atan(1) s=pir12 I=600sqrt(2) N1=1 J1_a=IN1s definovani vzestupne casti pulsu tau=3 DIMJexTABLE5011timeJ Jex(11)=0
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
5
Jex(10)=0 doi2501 Jex(i1)=(J1_a)(1-exp(-itau)) Jex(i0)=(i) enddo definovani sestupne casti pulsu tau=3 DIMJex1TABLE5011timeJ Jex1(11)=J1_a Jex1(10)=0 doi2501 Jex1(i1)=(J1_a)(exp(-itau)) Jex1(i0)=(i) enddo sestaveni celeho pulsu DIMJex2TABLE10011timeJ Jex2(11)=0 Jex2(10)=0 doi2501 Jex2(i1)=Jex(i1) Jex2(i0)=(i) enddo doi511001 Jex2(i1)=Jex1(i-501) Jex2(i0)=(i) enddo priprava nulovych vektoru kladneho a zaporneho prubehu J DIMJ1TABLE60011timeJ DIMmJ1TABLE60011timeJ doi16001 J1(i0)=(i-1)dt time J1(i1)=0 J mJ1(i0)=(i-1)dt time mJ1(i1)=0 -J enddo vlozeni prvniho pulsu doi11001 J1(i1)=Jex2(i1) mJ1(i1)=-Jex2(i1) enddo vlozeni druheho pulsu doi3004001 J1(i1)=-Jex2(i-3001) mJ1(i1)=Jex2(i-3001) enddo prirazeni prubehu k plocham PREP7 FLST215ORDE1 FITEM28 BFAP51XJSJ1 FLST215ORDE1 FITEM29 BFAP51XJSmJ1
75 Nastaveniacute analyacutezy SOL prepnuti do Solution modu - nastaveni analyzy kroku=300 pocet kroku simulace ANTYPE4 TRNOPTFULL
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
6
NSUBSTkroku00 OUTRESERASE OUTRESALL1 TIMET_max solve spusti vypocet ulohy
76 Postprocessing POST1 prepne do Preprocesing modu krokyb=200 pocet kroku na delku coilgapu L=03 delka Rx snimace hrx1=(h2)+10e-3 jednotlive vyskove pozice Rx vinuti hrx2=(h2)+526e-3 hrx3=(h2) hrx4=((h2)-526e-3) hrx5=((h2)-10e-3) vytvoreni pole hodnot - 10 sloupcu x 300 radku sloupce odpovidaji poctu jednotlivych civek 2x5 (5 poloh horni a dolni civka) DIMTOKTABLEkroku101SUBSTEP TOK(00)=0 TOK(01)=0 TOK(02)=0 TOK(03)=0 TOK(04)=0 TOK(05)=0 TOK(06)=0 TOK(07)=0 TOK(08)=0 TOK(09)=0 TOK(010)=0 dok1kroku1 hlavni cyklus pocet cyklu odpovida poctu kroku analyzy APPEND 1 k nacteni k-teho kroku analyzy tato cast kodu je nutna pro kazdou civku zvlast (10x se opakuje) PATHHORNI26krokyb-1 definovani cesty horni civky PPATH10-c2hrx10 levy koncovy bod PPATH20c2hrx10 pravy koncovy bod PDEF BYAVG namapovani Y-slozky magneticke indukce B PCALCINTGINT_HORBYXGL vypocet integralu z By podle dX PBCPATH 0 PAGETHORNI1_TABL ulozeni hodnot ziskanych na definovane ceste do pole HORNI1_ PADELALL smazani cesty i s hodnotamy (pole HORNI1_ zustava) konec opakujici se casti prirazovani posledni hodnoty integralu do prislusneho pole vysledku TOK(k0)=k casova osa TOK(k1)=HORNI1_(krokyb6) TOK(k2)=DOLNI1_(krokyb6) TOK(k3)=HORNI2_(krokyb6) TOK(k4)=DOLNI2_(krokyb6) TOK(k5)=HORNI3_(krokyb6) TOK(k6)=DOLNI3_(krokyb6) TOK(k7)=HORNI4_(krokyb6) TOK(k8)=DOLNI4_(krokyb6) TOK(k9)=HORNI5_(krokyb6) TOK(k10)=DOLNI5_(krokyb6) DELPRM_ smaze vsechny pole vysledku koncici znakem _ enddo konec cyklu zapis_tok odkaz na skript pro zapsani pole vysledku do souboru txt
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
7
77 Makro Vyacutepis makra ktereacute uklaacutedaacute hodnoty do souboru tok_fitxt
MWRITETOK(111)tok_fitxt vytvori soubor tok_fitxt a ulozi do
nej matici vysletku TOK
(10E135) urcuje format zapisu hodnot - 10
sloupcu cisel o celkove delce 13ti
znaku z toho 5 za desetinou teckou
CFCLOS uzavre soubor
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
8
Eviden čniacute list
Souhlasiacutem s tiacutem aby moje bakalaacuteřskaacute praacutece byla půjčovaacutena k prezenčniacutemu studiu v
Univerzitniacute knihově ZČU v Plzni
Datum Podpis
Uživatel stvrzuje svyacutem čitelnyacutem podpisem že tuto bakalaacuteřskou praacuteci použil ke studijniacutem
uacutečelům a prohlašuje že ji uvede mezi použityacutemi prameny
Jmeacuteno Fakultakatedra Datum Podpis
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
23
Obr 37 Přiacuteklad průběhu napětiacute Ub
Napětiacute Ub je přivaacuteděno na dva samostatneacute elektronickeacute obvody (řiacutezeneacute usměrňovače)
ovlaacutedaneacute řiacutediacuteciacutemi napětiacutemi z mikrokontroleru (na Tx boardu) Dvě řiacutediacuteciacute napětiacute jednoho
usměrňovače jsou vůči sobě o π posunuty a zaacuteroveň jsou posunuty o π2 proti dvěma řiacutediacuteciacutem
napětiacutem druheacuteho usměrňovače Vyacutesledkem jsou dva napěťoveacute signaacutely (P a Q) ktereacute jsou daacutele
zpracovaacutevaacuteny (integrace zesiacuteleniacute) s možnostiacute ručniacute volby zesiacuteleniacute ve čtyřech stupniacutech
(ovlaacutedaacuteniacute citlivosti detektoru) Tyto signaacutely jsou již nositelem informace a jsou na Control
boardu převedeny do digitaacutelniacute podoby Takto upraveneacute signaacutely jsou vyhodnocovaacuteny
algoritmy v hlavniacutem mikrokontroleru
35 Vyvažovaacuteniacute detektoru Zaacutekladem kvalitniacute a stabilniacute detekce je ciacutevkovyacute systeacutem Aby se dosaacutehlo co nejlepšiacuteho
vyvaacuteženiacute ciacutevek je nutnaacute přesnaacute bytelnaacute a rozměrově staacutelaacute konstrukce Detektory společnosti
Loma Systems sro majiacute ciacutevky uloženeacute ve vyfreacutezovanyacutech draacutežkaacutech a zajištěneacute epoxidovyacutem
lepidlem I přes to je detektor po osazeniacute elektronikou značně nevyvaacuteženyacute balančniacute napětiacute Ub
překračuje požadovanou hodnotu 6 V špička - špička natolik že může dojiacutet i k saturaci
elektronickyacutech obvodů Je tedy nutneacute ciacutevkovyacute systeacutem vyvaacutežit (vybalancovat)
Nejprve se provede hrubeacute laděniacute spočiacutevajiacuteciacute v tvarovaacuteniacute maleacute smyčky Tx vinutiacute v čele
detektoru obr 38
0 T2 T
25 V Ub
-25 V
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
24
Obr 38 Vyvažovaciacute očko na Tx vinutiacute a vlepenyacute pliacutešek uvnitř detekčniacuteho otvoru
Tato smyčka plniacute funkci kompenzačniacuteho vinutiacute po natvarovaacuteniacute je očko zaliteacute epoxidovyacutem
lepidlem U detektorů s vnitřniacute uacutepravou detekčniacuteho otvoru modryacutem epoxidem se do
detekčniacuteho otvoru daacutele vlepujiacute vyvažovaciacute pliacutešky různyacutech tvarů a velikostiacute (od 1 cm2 do 4
cm2) obr 38 ktereacute se naacutesledně zalijiacute do roviny modryacutem epoxidem Jako materiaacutel
vyvažovaciacutech pliacutešků je použita nerezovaacute ocel ANSI 304 (DIN 14301) tloušťky 2 mm Druhyacute
typ detektorů s odolnyacutem plastovyacutem povrchem (typ US) neumožňuje vlepovaacuteniacute pliacutešků
dovnitř detekčniacuteho otvoru Balancovaacuteniacute se tedy provaacutediacute přesnějšiacutem tvarovaacuteniacutem Tx očka
popřiacutepadě vlepovaacuteniacutem pliacutešků v jeho okoliacute
Pro jemneacute doladěniacute se u obou těchto variant (US typ a klasickyacute s modrou epoxidovou
vyacuteplniacute detekčniacuteho otvoru) osazujiacute balančniacute moduly obr 39 ktereacute na plastoveacutem otočneacutem diacutelu
majiacute tuning block o rozměrech cca 05 cm2 z 5 mm tlusteacuteho nerezu Oba balančniacute moduly
umožňujiacute pohyb tuning blocku v okoliacute vyvažovaciacuteho očka
Obr 39 Balančniacute moduly i s kryciacutemi plechy vlevo US vpravo klasickyacute
Tyto moduly nejsou přiacuteliš efektivniacute a sloužiacute pouze k miacuterneacutemu vyvaacuteženiacute Použiacutevajiacute se dva typy
Tuning block
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
25
těchto modulů podle varianty vnitřniacute vyacuteplně detektoru (US typ a klasickyacute s modrou
epoxidovou vyacuteplniacute detekčniacuteho otvoru) Jedniacutem z přijatyacutech naacutevrhů pro vylepšeniacute detektorů s
modrou epoxidovou vyacuteplniacute je použitiacute stejneacuteho balančniacuteho modulu jako u detektoru typu US
Vyacuterobniacute cena US balančniacuteho modulu je podstatně nižšiacute a umožňuje změnu polohy
vyvažovaciacuteho diacutelu nejen po obvodu kružnice ale i změnu vzdaacutelenosti mezi rovinami očka a
tuning bloku Změna teacuteto vzdaacutelenosti se využije v přiacutepadě kdy po osazeniacute detektoru s modrou
epoxidovou pryskyřiciacute balančniacutem modulem dojde ke zhoršeniacute vyvaacuteženiacute ktereacute pouhyacutem
natočeniacutem po kružnici nelze vykompenzovat Použiacutevaacuteniacutem pouze balančniacuteho modulu typu
US by se dosaacutehlo sniacuteženiacute počtu součaacutestek ve vyacuterobniacutem procesu sniacuteženiacute naacutekladů na vyacuterobu
detektoru s modrou epoxidovou vyacuteplniacute detekčniacuteho prostoru a odstranil by se i probleacutem
vznikajiacuteciacute při osazeniacute těchto detektorů balančniacutemi moduly
Dalšiacute naacutevrh se tyacutekal materiaacutelu použiteacuteho na tuning block Snahou bylo zvyacutešit vliv
tuning bloku natolik aby bylo možneacute vynechat kompenzačniacute očko čiacutemž by došlo k urychleniacute
laděniacute Byly testovaacuteny materiaacutely FeNi47ln5 tloušťky 03 mm a FeNi42 tloušťky 04 mm Byl
zvolen tvar kteryacute umožňoval použitiacute staacutevajiacuteciacutech US modulů obr 310 Vliv tuning blocků
se sice zvyacutešil nicmeacuteně ne natolik aby mohlo byacutet vyvažovaciacute očko zcela vynechaacuteno
Obr 310 Prototypy tuning blocků z novyacutech materiaacutelů
36 Vyacutestupniacute kontrola Před samotnou expediciacute detektoru je nutneacute proveacutest kontrolu detekce Kvalita detekce
je ověřovaacutena třemi typy kontaminantů neželeznyacute - NONFE (mosaz) železnyacute - FE (chromovaacute
ocel) a nerezovyacute - SS (ANSI 304) K tomu jsou určeny přiacutepravky na obr 311 a 312 Jednaacute
se o kuličky definovanyacutech průměrů ktereacute jsou zaliteacute v plastovyacutech tyčinkaacutech opatřenyacutech
rozměrovou specifikaciacute kontaminantu Barva tyček odlišuje použityacute typ kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
26
Obr 311 Testovaciacute vzorky pro dopravniacutekoveacute detektory
Obr 312 Testovaciacute vzorky pro farmaceutickeacute detektory
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
27
4 Optimalizace a stiacuten ěniacute detektoru Jedniacutem z bodů teacuteto praacutece je navrženiacute optimalizaciacute průmysloveacuteho detektoru kovu z
hlediska kvality detekce a vyšetřeniacute elektromagnetickeacuteho pole s ohledem na rušiveacute vlivy Z
počaacutetku byly provaacuteděny pokusy se stiacuteněniacutem ciacutevek s ohledem na rušeniacute vnějšiacutem
elektromagnetickyacutem polem Prvniacute uacutevahy vedly k použitiacute stiacuteniacuteciacuteho materiaacutelu s velkou
permeabilitou kteryacute by do sebe soustředil většiacute množstviacute indukčniacutech čar unikajiacuteciacutech do okoliacute
a tiacutem omezil vnějšiacute rušeniacute Na zaacutekladě teacuteto uacutevahy byly testovaacuteny dva materiaacutely FeNi47ln5
tloušťky 03 mm a FeNi42 tloušťky 04 mm ktereacute mohou dosahovat relativniacute permeability až
micror_12106 [5] Těmito pokusy se sice sniacutežilo množstviacute indukčniacutech čar magnetickeacuteho pole
unikajiacuteciacuteho z detektoru ale vlivem přiacuteliš velkeacute permeability bylo ovlivněno i pole uvnitř
detekčniacuteho prostoru kde došlo ke sniacuteženiacute citlivosti Tento naacutevrh měl dalšiacute negativniacute faktory
jako je vysokaacute cena použityacutech materiaacutelů a omezeneacute vyacuterobniacute možnosti nedostačujiacuteciacute šiacuteřkou
paacutesů což by vedlo ke sklaacutedaacuteniacute plechů vedle sebe a tiacutem ke vzniku nehomogenit
Aby byly optimalizace efektivniacute je třeba znaacutet rozloženiacute elektromagnetickeacuteho pole
uvnitř detektoru a vlivy ktereacute na něj působiacute Proto bylo přistoupeno k využitiacute počiacutetačoveacuteho
softwaru Ansys Jednaacute se o profesionaacutelniacute software založenyacute na metodě konečnyacutech prvků Je
určen předevšiacutem pro simulace mechanickeacuteho namaacutehaacuteniacute ale umožňuje i řešeniacute teplotniacutech
elektromagnetickyacutech a sdruženyacutech poliacute [6] Ansys byl vybraacuten předevšiacutem pro možnost řešeniacute i
3D probleacutemů V teacuteto praacuteci bylo z důvodů vyacutepočetniacute naacuteročnosti a velkeacuteho množstviacute
jednotlivyacutech vyacutepočtů přistoupeno k řešeniacute probleacutemu pouze ve dvourozměrneacutem prostoru V
tomto přiacutepadě je řešeno nestacionaacuterniacute magnetickeacute pole ktereacute popisuje rovnice (41) [7]
( ) extr JArotdt
dABArotrot =timesminus+
minus γυγmicro1
(41)
kde
BArot = (42)
A magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel
micro permeabilita
Br remanentniacute indukce
B magnetickaacute indukce
γ měrnaacute elektrickaacute vodivost
ν rychlost pohybu tělesa v magnetickeacutem poli
Jext vektor vnějšiacute proudoveacute hustoty
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
28
41 Vyšet řovaacuteniacute vlivu pozice Rx vinutiacute Nejprve byly provedeny simulace staacutevajiacuteciacuteho zařiacutezeniacute o rozměrech detekčniacuteho otvoru
150 mm x 350 mm Zaacutekladniacute geometrie probleacutemu je na obraacutezku 41 Pro řešeniacute zaacutekladniacuteho
probleacutemu by bylo možneacute použiacutet symetrii modelu pokud však model doplniacuteme o kontaminant
možnost teacuteto symetrie odpadaacute Byly provedeny tři seacuterie vyacutepočtů ktereacute se lišily materiaacutelem
kontaminantu Každaacute seacuterie se sklaacutedala z 24 samostatnyacutech vyacutepočtů ve kteryacutech se postupně
měnila pozice kontaminantu tak jako je tomu při skutečneacute situaci na dopravniacutem paacutesu
Použityacutem APDL skriptem by bylo možneacute řešit i průchody kontaminantu v různyacutech vyacuteškaacutech
detekčniacuteho otvoru Pro potřeby těchto vyacutepočtů byl průchod zvolen středem jelikož je zde
citlivost detektoru nejnižšiacute Nutno poukaacutezat na skutečnost že kontaminant reprezentovanyacute
kružniciacute v řezu detektoru nelze považovat za kulovyacute nyacutebrž za vodič kruhoveacuteho průřezu
stejneacute deacutelky jako Tx respektive Rx vinutiacute Rozmeziacute pohybu kontaminantu bylo od -230 mm
do 230 mm vůči Tx vinutiacute s krokem 20 mm Obdeacutelniacuteky v okoliacute Tx vinutiacute byly vytvořeny za
uacutečelem možnosti zjemněniacute vyacutepočetniacute siacutetě v prostoru Tx a Rx vinutiacute Na obraacutezku 41 nejsou
namodelovaacuteny Rx ciacutevky neboť hodnota naindukovaneacuteho napětiacute byla ziacuteskaacutevaacutena v pěti
různyacutech vyacuteškovyacutech poziciacutech a bylo hodnoceno indukovaneacute napětiacute Ui
Obr 41 Zaacutekladniacute geometrie
nerezovyacute kryt
vodiče Tx vinutiacute
kontaminant
obdeacutelniacuteky vzduchoveacuteho okoliacute s jemnějšiacute vyacutepočetniacute siacutetiacute střed souřadneacuteho
systeacutemu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
29
411 Preprocessing - p řiacuteprava skriptu Nejprve bylo nutneacute zjistit geometrickeacute rozměry a materiaacuteloveacute konstanty zkoumaneacuteho
detektoru Geometrickeacute rozměry byly ziacuteskaacuteny z databaacuteze Solidworks modelů společnosti
Loma Systems sro V kapitole 71 je uacuteryvek APDL skriptu pro tvorbu geometrie
Materiaacutely použiteacute v modelu jsou vzduch vodiče Tx vinutiacute nerezovyacute obal detektoru a
materiaacutely kontaminantů V raacutemci zjednodušeniacute modelu nebyly uvažovaacuteny PVC izolace Tx
vinutiacute samotneacute Tufneloveacute jaacutedro a materiaacutel s niacutemž je prostor mezi jaacutedrem a nerezovyacutem
krytem vyplněn neboť tyto materiaacutely vykazujiacute z pohledu šiacuteřeniacute elektromagnetickeacuteho pole
stejneacute vlastnosti jako vzduch Konkreacutetniacute hodnoty materiaacutelovyacutech konstant viz tabulka 41
odpor Tx vinutiacute nebyl uvažovaacuten neboť jeho plochy byly zatiacuteženy definovanou proudovou
hustotou tudiacutež neniacute možneacute uvažovat přiacutepadně naindukovaneacute viacuteřiveacute proudy Daacutele bylo nutneacute
zvolit a spraacutevně nastavit použiteacute elementy modelu
Tab 41 Materiaacuteloveacute vlastnosti
měrnaacute
permeabilita [-] měrnyacute elektrickyacute
odpor [Ωm]
vzduch 1 -
Tx vinutiacute 1 -
nerezovaacute ocel (ANSI 304 DIN 14301)
1008 [10] 72010-7
neželeznyacute kontaminant (mosaz)
1 75010-8
železnyacute kontaminant (chromovaacute ocel)
400 12010-7
nerezovyacute kontaminant (ANSI 304 DIN 14301) 1008 72010-7
Jako elementy daneacuteho modelu byly zvoleny elementy PLANE53 určeneacute pro řešeniacute
magnetickeacuteho pole Jednaacute se o osmi uzloveacute elementy ktereacute mohou miacutet až čtyři stupně
volnosti na uzel Stupně volnosti mohou byacutet magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel (AZ) časově
integrovanyacute elektrickyacute skalaacuterniacute potenciaacutel (VOLT) elektrickyacute proud (CURR) a
elektromotorickaacute siacutela (EMF) [6] Geometrie elementu na obr 42
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
30
Obr 42 Geometrie elementu PLANE53 [6]
Uacuteryvek koacutedu v kapitole 72 obsahuje definovaacuteniacute materiaacutelovyacutech vlastnostiacute definovaacuteniacute
elementů a jejich nastaveniacute V dalšiacute časti bylo nutneacute jednotliveacute materiaacutely a elementy přiřadit
danyacutem plochaacutem
Daacutele bylo zapotřebiacute nastavit atributy pro automatickeacute siacuteťovaacuteniacute oblasti Je nutneacute aby v
tenkyacutech a malyacutech plochaacutech byla vyššiacute hustota siacutetě než na velkyacutech plochaacutech kde postačuje siacuteť
řidšiacute Velmi důležitaacute je kompatibilita siacutetě proto byla v okoliacute Tx vodičů vytvořena
obdeacutelniacutekovaacute oblast s hustšiacute siacutetiacute viz uacuteryvek koacutedu v přiacuteloze 73
Obr 43 Detailniacute pohled na siacuteť elementů
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
31
V posledniacute čaacutesti preprocessingu byla definovaacutena Dirichletova okrajovaacute podmiacutenka
udaacutevajiacuteciacute magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel roven nule na vnějšiacute hrany vzduchoveacuteho okoliacute a
průběh budiacuteciacute proudoveacute hustoty v Tx vodičiacutech V horniacutem a dolniacutem vodiči měly toky opačnyacute
smysl proto bylo nutneacute vytvořit dva vektory hodnot J1 (obr 44) a mJ1 V posledniacute řadě bylo
provedeno přiřazeniacute průběhů k plochaacutem viz kapitola 74
Obr 44 Průběh proudoveacute hustoty v ploše Tx vodiče
Ansys byl do Solution modu přepnut přiacutekazem SOL kde se provedlo nastaveniacute
analyacutezy a byl spuštěn vyacutepočet viz kapitola 76
412 Postprocessing - ziacuteskaacutevaacuteniacute vyacutesledk ů Ciacutelem teacuteto čaacutesti bylo zjištěniacute průběhů naindukovanyacutech napětiacute Ui v zaacutevislosti na čase
pro různeacute vyacuteškoveacute pozice přijiacutemaciacutech ciacutevek Rx Pro indukovaneacute napětiacute platiacute vztah
( )Vndt
dU i sdotΦminus= (43)
kde
( )TdxBlx
x
Yint sdotsdot=Φ2
1
(44)
n počet zaacutevitů Rx vinutiacute
l deacutelka Rx vinutiacute ve směru osy Z
x1 a x2 šiacuteřka Rx vinutiacute ve směru osy X
BY složka magnetickeacute indukce v ose Y
Zadaacuteniacutem souřadnic dvou bodů se nadefinovala uacutesečka (cesta) na kterou byly s určityacutem
J (Am-2)
kroky vyacutepočtu (-)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
32
krokem zaznamenaacuteny hodnoty magnetickeacute indukce BY Průběh BY v zaacutevislosti na souřadnici X
je na obr 45
Obr 45 Průběh magnetickeacute indukce BY v zaacutevislosti na souřadnici X
Obr 46 Průběh magnetickeacuteho toku Φ v zaacutevislosti na souřadnici X
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
33
Integrovaacuteniacutem průběhu BY se ziacuteskal průběh magnetickeacuteho indukčniacuteho toku Φ obr 46
Magnetickyacute indukčniacute tok Φ je roven určiteacutemu integraacutelu (rovnice 44) průběhu BY obr 45 Z
toho vyplyacutevaacute že magnetickyacute indukčniacute tok je roven posledniacute hodnotě průběhu na obr 46
Tato hodnota se vynaacutesobila deacutelkou Rx vinutiacute Postup vyacutepočtu se opakoval pro všechny pozice
Rx vinutiacute a to v každeacutem kroku transientniacute analyacutezy Tiacutem se ziacuteskala zaacutevislost magnetickeacuteho
indukčniacuteho toku Φ na čase t V programu MS Excel se vynaacutesobil tok počtem zaacutevitů Rx vinutiacute
a byla provedena derivace podle času (rovnice 43) Takto byly zpracovaacuteny vyacutesledky pro
všechny pozice kontaminantu vůči Tx vinutiacute APDL skript pro ziacuteskaacutevaacuteniacute hodnot viz kapitola
76 a v kapitole 77 je vyacutepis makra ktereacute uklaacutedaacute hodnoty do souboru
413 Hodnoceniacute vyacutesledk ů Vypočteneacute hodnoty Ui ve všech pěti vyacuteškovyacutech poziciacutech hrx byly vyneseny do grafů v
zaacutevislosti na čase Pokud se vynesou do jednoho grafu průběhy indukovanyacutech napětiacute pro
každou pozici kontaminantu v daneacute vyacutešce lze sledovat odezvu indukovaneacuteho napětiacute na
polohu kontaminantu Jelikož byly provedeny tři seacuterie vyacutepočtů s různyacutemi kontaminanty lze
porovnat i tvary přijiacutemanyacutech signaacutelu pro jednotliveacute materiaacutely Ciacutelem teacuteto čaacutesti je porovnat
signaacutely ziacuteskaacutevaneacute v různyacutech vyacuteškovyacutech polohaacutech Rx vinutiacute a vybrat nejvhodnějšiacute signaacutel pro
detekci
Na naacutesledujiacuteciacutech grafech jsou znaacutezorněny napěťoveacute průběhy během jedneacute periody v
zaacutevislosti na poloze kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
34
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 47 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 48 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
35
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 49 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 410 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
36
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 411 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 5)
Na obraacutezciacutech 47 až 411 jsou zobrazeny průběhy odpoviacutedajiacuteciacute průchodu železneacuteho
kontaminantu s relativniacute permeablitou 400 a měrnyacutem elektrickyacutem odporem 10210-7 Ωm Na
průběziacutech 47 48 a 411 lze pozorovat sice nižšiacute hodnotu signaacutelu ale celkovaacute deformace
během průchodu kontaminantu je většiacute
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 412 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
37
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 413 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 414 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
38
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 415 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 416 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce5)
Na obraacutezciacutech 412 až 416 jsou zobrazeneacute průběhy odpoviacutedajiacuteciacute průchodu kontaminantu z
nerezu ANSI 304 s relativniacute permeablitou 1008 a měrnyacutem elektrickyacutem odporem 7210-7
Ωm Při porovnaacuteniacute s předchoziacutem kontaminantem je změna signaacutelu nižšiacute což odpoviacutedaacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
39
předpokladům o obtiacutežnějšiacute detekci nerezovyacutech kontaminantů
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 417 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 418 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
40
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 419 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 420 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
41
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 421 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 5)
Na obraacutezciacutech 417 až 421 jsou zobrazeny průběhy odpoviacutedajiacuteciacute neželezneacutemu
kontaminantu (mědi) s parametry relativniacute permeablita 1 a měrnyacute elektrickyacute odpor 7510-8
Ωm Průběh signaacutelu je velmi podobnyacute signaacutelům nerezoveacuteho kontaminantu
Porovnaacuteniacutem všech grafů (obr 47 - obr 422) je obecně vidět že u průběhů ve vyacutešce
3 a 4 je zisk signaacutelu pro všechny modelovaneacute kontaminanty největšiacute Dochaacuteziacute zde ale ke
změně amplitudy pouze v jednom smyslu což z hlediska vyhodnocovaciacutech algoritmů zlepšeniacute
detekce vylučuje Naproti tomu je u signaacutelu ve vyacutešce 5 znatelně vyššiacute amplituda než v
použiacutevaneacute vyacutešce 2 Na zaacutekladě tohoto zjištěniacute bude zhotoven prototyp detektoru za uacutečelem
ověřeniacute teoretickyacutech vyacutesledků
Na obraacutezku 422 je ukaacutezka grafickeacuteho vyacutestupu zobrazujiacuteciacuteho vektory proudoveacute
hustoty naindukovaneacute v nerezoveacutem krytu a v kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
42
Obr 422 Vektory proudovyacutech hustot naindukovanyacutech do kontaminantu a nerezoveacuteho krytu
Obraacutezek 423 zobrazuje kontury magnetickeacuteho pole ve stejneacutem časoveacutem kroku jako obr
422 Pole ktereacute je konturami zobrazeno je tvořeno praacutevě proudovou hustotou obr 422 Je
zde možneacute pozorovat jak se pole deformuje přiacutetomnyacutem kontaminantem
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
43
Obr 423 Kontury magnetickeacuteho vektoroveacuteho potenciaacutelu s viditelnou deformaciacute pole způsobenou
feromagnetickyacutem kontaminantem
42 Vyšet řovaacuteniacute množstviacute vyza řovaneacute energie V teacuteto čaacutesti se vychaacutezelo z předpokladu že intenzita elektromagnetickeacuteho pole uvnitř
detektoru je mnohem většiacute než elektromagnetickyacute šum kteryacute do detektoru vnikaacute z okoliacute
Proto lze předpoklaacutedat že rušeniacute bude způsobeno předevšiacutem deformaciacute vlastniacuteho
vyzařovaneacuteho pole v bliacutezkeacutem okoliacute detektoru To vede ke snaze snižovat množstviacute vlastniacuteho
vyzaacuteřeneacuteho pole ven z detektoru aby nemohlo byacutet deformovaacuteno okolniacutemi předměty
421 Řešeniacute probleacutemu Bylo porovnaacuteno pět variant detektorů bez průchodu kontaminantu Každaacute varianta se
řešila jedniacutem vyacutepočtem z čehož plyne malaacute časovaacute naacuteročnost a proto byly probleacutemy řešeny
bez využitiacute symetrie Prvniacute byl staacutevajiacuteciacute detektor o tloušťce kryciacuteho nerezoveacuteho plechu 3 mm
druhyacute byl stejneacute geometrie ale za použitiacute silnějšiacuteho 5 mm tlusteacuteho nerezu Třetiacute typ měl
tloušťku 3 mm ale na horniacute a dolniacute stěně bylo přidaacuteno dalšiacute stiacuteněniacute z nerezu ve tvaru T (obr
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
44
426) Posledniacute dva naacutevrhy měly pravouacutehlyacute tvar krytu celkově menšiacutech rozměrů z nichž jeden
byl jednoduchyacute o tloušťce 3 mm (obr 427) a druhyacute měl shora a zdola dvojiteacute dno z nerezu
tloušťky 3 mm (obr_428) Touto metodou by se dalo porovnaacutevat mnohem většiacute množstviacute
provedeniacute ktereacute by se mohly lišit i použityacutem materiaacutelem Vzduchoveacute okoliacute detektoru bylo
rozděleno na čtyři sektory v nichž se sečetly hodnoty magnetickeacute energie jednotlivyacutech
elementů v každeacutem kroku analyacutezy a tiacutem se ziacuteskal průběh množstviacute energie v daneacutem prostoru
na čase Objemovaacute hustota magnetickeacute energie byla zjišťovaacutena ve všech plochaacutech daneacute
geometrie a bylo možno sledovat jak se energie v čase přemisťuje
Obr 424 Geometrie varianty 3 mm
Obr 425 Geometrie varianty 5 mm
Obr 426 Geometrie varianty 3 mm-stineni
Obr 427 Geometrie varianty novy 1
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
45
Obr 428 Geometrie varianty novy 2
Přiacuteprava skriptů se od předchoziacutech vyacutepočtů lišila pouze v geometrii jinak byla
principiaacutelně stejnaacute Rozdiacutel byl však v čaacutesti post-processingu (ziacuteskaacutevaacuteniacute vyacutesledků) Aby bylo
možno přistupovat k jednotlivyacutem sektorům musel byacutet každyacute sektor definovaacuten vlastniacutem typem
elementů (elementy byly použity stejneacute jednaacute se pouze o čiacuteslovaacuteniacute) Byly použity osmkraacutet
elementy PLANE53
ET153 Tx vinuti ET253 prostor uvnitr detektoru ET353 nerezovy obal ET453 detekcni prostor ET553 vzduchove okoli - horni ET653 vzduchove okoli - pravy ET753 vzduchove okoli - dolni ET853 vzduchove okoli - levy
Přiacuteklad načiacutetaacuteniacute vyacutesledků pro jeden typ elementů
POST1 prepnutiacute do postprocesoru allsel oznaceni vsech elementu vytvoreni pole pro ukadani hodnot DIMenergie1TABLEkroku11timeE zapsani nulovych hodnot na zacatek vektoru vysledku energie1(00)=0 energie1(01)=0 cyklus ve kterem se nacitaji vysledky jednotlivych kroku simulace doi1kroku1 APPEND 1 i nacteni daneho kroku eseltype1 vybrani elementu typu 1 GET e_count1 ELEM count vraci mnozstvi elementu daneho typu GET e_next ELEM 0 NXTH vraci nejnizsi adresu elementu daneho typu v promenne e_next energ1=0 vynulovani promenne cyklus ktery postupne prochazi vsechy elementy daneho typu doj1e_count11 GET e_energ1 ELEM e_next SENE ulozi do promene e_energ1 mnozstvi energie v elementu s adresou e_next
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
46
GET e_next ELEM e_next NXTH posune adresu elementu o jedna energ1=energ1+e_energ1 pricte mnozstvi energie e_energ1 do kumulativni promnenne energ1 enddo konec vnitrniho cyklu energie1(i0)=i zapise do pole vysledku cislu jirju simulace energie1(i1)=energ1 zapise do pole vysledku mnozstvi energie v cele plose s elementy daneho typu enddo konec vnejsiho cyklu zapis_energ zavolani makra pro zapis vysledku do souboru
422 Hodnoceniacute vyacutesledk ů V jednotlivyacutech sektorech se provedla suma magnetickeacute energie pro každyacute krok
simulace Vyacutesledkem jsou průběhy množstviacute energie v daneacute ploše v zaacutevislosti na krociacutech
simulace (čase) Jednotliveacute varianty byly hodnoceny na zaacutekladě porovnaacuteniacute průběhů se
staacutevajiacuteciacutem detektorem
Energie v Tx vinutiacute
000E+00
100E-03
200E-03
300E-03
400E-03
500E-03
600E-03
700E-03
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 429 Energie v Tx vinutiacute
Na grafu (obr 429) je vidět že množstviacute energie v Tx vinutiacute neniacute zaacutevisleacute na geometrii a je
daacuteno budiacuteciacutem signaacutelem v Tx vinutiacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
47
Energie unit ř detektoru
000E+00
200E-02
400E-02
600E-02
800E-02
100E-01
120E-01
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 430 Energie uvnitř detektoru
Na obr 430 je znaacutezorněno množstviacute energie v prostoru detektoru do ktereacuteho neniacute
započiacutetaacutena detekčniacute oblast ta je zobrazena na obr 432 V teacuteto čaacutesti neniacute pozorovaacutena žaacutednaacute
vyacuteraznaacute změna
Energie v nerezoveacutem obalu
000E+00
500E-05
100E-04
150E-04
200E-04
250E-04
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 431 Energie v nerezoveacutem obalu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
48
Vyacuteraznějšiacute změny se odehraacutevajiacute v nerezoveacutem obalu Nejmenšiacute množstviacute energie je v klasickeacute
3 mm tlusteacute a v 5 mm tlusteacute variantě U klasickeacute varianty se stiacuteněniacutem a u novyacutech naacutevrhů je
naacuterůst způsoben přibliacuteženiacutem nerezu k Tx vinutiacute
Energie v prostoru detek čniacuteho otvoru
000E+00
500E-03
100E-02
150E-02
200E-02
250E-02
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 432 Energie v prostoru detekčniacuteho otvoru
V oblasti detekčniacuteho otvoru je snaha o uchovaacuteniacute co největšiacuteho množstviacute energie neboť
zmenšeniacute energie vede ke sniacuteženiacute odezvy na kontaminant tedy ke sniacuteženiacute citlivosti detektoru
Z obr 432 je patrneacute že geometrickeacute uacutepravy detektoru (3 mm se stiacuteněniacutem novy 1 a novy 2)
vedou ke sniacuteženiacute množstviacute energie v tomto prostoru
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
49
Energie v horniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
100E-07
200E-07
300E-07
400E-07
500E-07
600E-07
700E-07
800E-07
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 433 Energie v horniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Energie v dolniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
100E-07
200E-07
300E-07
400E-07
500E-07
600E-07
700E-07
800E-07
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 434 Energie v dolniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Porovnajiacute-li se obr 433 a 434 je u variant 1 - 3 možneacute pozorovat rozdiacutely mezi horniacute a dolniacute
plochou Je zde na prvniacute pohled vidět jak horniacute oblouk snižuje množstviacute energie unikajiacuteciacute do
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
50
okoliacute Jako uacutečinneacute se z pohledu těchto sektorů jeviacute varianta klasickeacuteho detektoru se stiacuteněniacutem a
novyacute naacutevrh s dvojityacutemi stěnami
Energie v praveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
500E-06
100E-05
150E-05
200E-05
250E-05
300E-05
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 435 Energie v praveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Energie v leveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
500E-06
100E-05
150E-05
200E-05
250E-05
300E-05
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 436 Energie v leveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
51
Pravyacute a levyacute sektor je z důvodů symetrie stejnyacute na obrazciacutech 435 a 436 lze pozorovat tzv
metal free zoacutenu kteraacute se u detektorů udaacutevaacute Jednaacute se o prostor před a za detekčniacutem otvorem
ve ktereacutem se nesmiacute nachaacutezet žaacutednyacute kovovyacute materiaacutel (z důvodu ovlivňovaacuteniacute pole) snahou je
tuto zoacutenu co nejviacutece zmenšit Z grafů je patrneacute že novyacute naacutevrh s dvojityacutemi stěnami vykazuje
nejmenšiacute množstviacute energie v teacuteto oblasti Naopak u klasickeacute varianty se stiacuteněniacutem došlo k
vytlačeniacute pole z vnitřku detektoru praacutevě do těchto okolniacutech zoacuten
Na zaacutekladě těchto poznatků bude provedeno ověřeniacute na skutečnyacutech zařiacutezeniacutech Mezi
použitelneacute varianty připadaacute klasickaacute konstrukce doplněnaacute o stiacuteněniacute a novyacute naacutevrh s dvojityacutemi
stěnami U toho je však velkaacute hrozba sniacuteženiacute citlivosti způsobeneacute menšiacutem množstviacutem energie
v detekčniacutem prostoru
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
52
5 Zaacutevěr Ciacutelem předklaacutedaneacute praacutece je zlepšeniacute činnosti detektorů kovů přiacutepadně uacuteprava
technologie vyacuteroby při současneacutem sniacuteženiacute vyacuterobniacutech naacutekladů Předpokladem uacutespěšnyacutech
naacutevrhů byla podrobnaacute studie činnosti a principu těchto zařiacutezeniacute kteraacute jsou vyacuterobcem po
několik let uacutespěšně prodaacutevaacutena na světovyacutech trziacutech
Na zaacutekladě těchto požadavků byly provedeny některeacute testy ktereacute měly ověřit
předpoklaacutedanaacute zlepšeniacute Nejširšiacute možnosti přinaacutešiacute modelovaacuteniacute magnetickeacuteho pole
průmyslovyacutech detektorů počiacutetačovou simulaciacute kteraacute je zatiacutem schopna řešit zadaneacute probleacutemy
v dvourozměrneacutem prostoru Nejčastěji řešeneacute probleacutemy jsou staacutele spojeny se zaacutekladniacutem
principem činnosti těchto zařiacutezeniacute tj vlivem a působeniacutem kontaminantu na
elektromagnetickeacute pole buzeneacute ciacutevkami uvnitř detektoru a nepřiacuteznivyacute vliv vnějšiacutech rušivyacutech
poliacute např při současneacute činnosti sousedniacutech detektorů Dalšiacutem zdrojem rušivyacutech magnetickyacutech
poliacute může byacutet i činnost a přiacutetomnost různyacutech elektrickyacutech zařiacutezeniacute probleacutem spojenyacute s
vhodnyacutem materiaacutelem a tvarem stiacuteněniacute těchto zařiacutezeniacute
Vzhledem k maximaacutelniacute citlivosti elektronickyacutech obvodů a požadovaneacute pečlivosti při
balancovaacuteniacute (vyvažovaacuteniacute) se vyskytuje probleacutem kteryacute souvisiacute se staacutelostiacute nastaveniacute detektoru
při mechanickeacutem otřesu přiacutepadně odstraněniacute změn ke kteryacutem dochaacuteziacute vlivem dopravy
Dalšiacutem plaacutenovanyacutem krokem je namodelovaacuteniacute probleacutemu v trojrozměrneacutem prostoru od
ktereacuteho je očekaacutevaacuteno zohledněniacute dalšiacutech vlivů a tiacutem zpřesněniacute samotneacuteho vyacutesledku
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
53
6 Použitaacute literatura [1] Internetoveacute straacutenky společnosti Loma Systems sro
httpwwwlomacom_czindexshtml
[2] Haacutejek J Jarchovskyacute Z Detektory kovů - naacutevod na stavbu nakladatelstviacute BEN Praha
2010
[3] Beneda L Detektory kovů bakalaacuteřskaacute praacutece ZČU Plzeň 2010
[4] Internetoveacute straacutenky společnosti Ad controls sro
httpwwwadcontrolsczdetektory_kovu_zakladni_pojmy
[5] KOVOHUTĚ ROKYCANY as COMTES FHT as MATEX sro Průběžnaacute
zpraacuteva k projektu FeNi - čj 1021207 - 32 za rok (2007 - 2009)
[6] Ansys Inc ANSYS HELP Release 130 Dokumentace k programu
[7] Karban P a kolektiv autorů Aplikace teoretickeacute elektrotechniky Skripta ZČU Plzeň
2011
[8] Benešovaacute Z Ulrych B Přiacuteručka pro použitiacute programů ve vyacuteuce teorie
elektromagnetickeacuteho pole Skripta ZČU Plzeň 1997
[9] Loma Systems sro Knowledge Base - Interniacute dokumentace společnosti
[10] Internetoveacute straacutenky společnosti Aerospace specification metals Inc
httpasmmatwebcomsearchSpecificMaterialaspbassnum=MQ304A
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
1
7 Přiacutelohy
71 Tvorba geometrie PREP7 prepnuti do rezimu preprocesingu jj=8 index polohy kontaminantu r1=05e-3 polomer Tx vodice 05 mm r2=15e-3 polomer kontaminantu 15 mm c=90e-3 sirka Rx civek h=1767e-3 vzdalenost mezi Tx vinutim hrx=(h2)+526e-3 zakladni vyskova poloha mezi Rx civkami hss=175e-3 vyska nerezoveho krytu wss=150e-3 sirka nerezoveho krytu tss=3e-3 tloustka nerezove steny hd=h-227e-3 vyska detekcniho otvoru wok=1000e-3 sirka vzduchoveho okoli hok=1000e-3 vyska vzduchoveho okoli wkon=(-250e-3)+(jj20e-3) poloha kontaminantu na ose X tvorba geometrickych bodu nerezoveho krytu K1022589e-30 K2022185e-30 K3-7907e-321208e-30 K4-78e-32085e-30 K57907e-321208e-30 K678e-32085e-30 K7-wsshss0 K8-wss+tsshss-tss0 K9wsshss0 K10wss-tsshss-tss0 K11-wss-hss0 K12-wss+tss-hss+tss0 K13wss-hss0 K14wss-tss-hss+tss0 vytvoreni ploch definovanymi body FLST273 FITEM27 FITEM23 FITEM21 FITEM25 FITEM29 FITEM213 FITEM211 AP51X FLST273 FITEM28 FITEM24 FITEM22 FITEM26 FITEM210 FITEM214 FITEM212 AP51X CYL40h2r1 plocha horniho Tx vodice CYL40-h2r1 ploch dolniho Tx vodice BLC50((h2)+hrx)2100e-310e-3 plocha horniho vzduchoveho okoli Tx vodice BLC50-((h2)+hrx)2100e-310e-3 plocha dolniho vzduchoveho okoli Tx vodice BLC5002wsshd plocha detekcniho ootvoru APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch odstraneni ploch ktere budou sjednoceny se vzduchovym okolim
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
2
FLST255ORDE4 FITEM210 FITEM2-12 FITEM215 FITEM218 ADELEP51X BLC500wokhok vytvoreni plochy vzduchoveho okoli APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch CYL4wkon0r2 vytvoreni plochy kontaminantu APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch konec tvorby geometrickeho modelu
72 Definice element ů materiaacutel ů a jejich p řiřazeniacute k plochaacutem definovani materialu MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX11 material 1 Tx permeabilita 1 MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX21 material 2 Air permeabilita 1 MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX31008 material 3 nerezovy kryt SS ANSI 304 permeabilita MPTEMP MPTEMP10 MPDATARSVX372e-7 material 3 nerezoovy kryt SS Ansi 304 rezistivita MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX4400 material 4 Kontaminant permeabilita MPTEMP MPTEMP10 MPDATARSVX4102e-7 material 4 Kontaminant rezistivita definovani elementu ET153 Tx civky ET253 Vzduch ET353 nerezovy kryt ET453 kontaminant nastaveni elementu KEYOPT110 Tx civky KEYOPT120 KEYOPT130 KEYOPT140 KEYOPT150 KEYOPT170 KEYOPT210 Air KEYOPT220 KEYOPT230 KEYOPT240 KEYOPT250 KEYOPT270 KEYOPT310 SS KEYOPT320 KEYOPT330 KEYOPT340 KEYOPT350
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
3
KEYOPT370 KEYOPT410 kontaminant KEYOPT420 KEYOPT430 KEYOPT440 KEYOPT450 KEYOPT470 prirazeni elementu a materialum k plocham FLST525ORDE2 Tx FITEM58 FITEM5-9 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 1 1 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 FLST535ORDE3 Air FITEM53 FITEM516 FITEM5-17 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 2 2 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 FLST525ORDE2 SS FITEM513 FITEM5-14 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 3 3 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 CM_YAREA kontaminant ASEL 1 CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 4 4 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
4
73 Siacuteťovaacuteniacute oblastiacute FLST275ORDE7 FITEM21 FITEM28 FITEM2-9 FITEM213 FITEM2-14 FITEM216 FITEM2-17 AESIZEP51X00005 nastaveni delky steny elementu 00005 m FLST215ORDE1 FITEM23 AESIZEP51X001 nastaveni delky steny elementu 001 m MSHAPE12D nastaveni 2D trojuhelnikove site MSHKEY0 FLST585ORDE8 FITEM51 FITEM53 FITEM58 FITEM5-9 FITEM513 FITEM5-14 FITEM516 FITEM5-17 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CHKMSHAREA CMSELS_Y AMESH_Y1 spusteni automatickeho sitovani CMDELE_Y CMDELE_Y1 CMDELE_Y2
74 Okrajovaacute podmiacutenka a nastaveniacute budiciacuteho pr ůběhu okrajova podminka FLST244ORDE4 FITEM214 FITEM212 FITEM27 FITEM25 DLP51X AZ0 nastaveni zatizeni parametry budici proudove hustoty f=35e3 frekvence signalu [Hz] part=600 pocet kroku signalu T_min=0 pocatek casove osy T_max=1f konec casove osy dt=T_maxpart casovy krok parametry prudove hustoty pi=4atan(1) s=pir12 I=600sqrt(2) N1=1 J1_a=IN1s definovani vzestupne casti pulsu tau=3 DIMJexTABLE5011timeJ Jex(11)=0
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
5
Jex(10)=0 doi2501 Jex(i1)=(J1_a)(1-exp(-itau)) Jex(i0)=(i) enddo definovani sestupne casti pulsu tau=3 DIMJex1TABLE5011timeJ Jex1(11)=J1_a Jex1(10)=0 doi2501 Jex1(i1)=(J1_a)(exp(-itau)) Jex1(i0)=(i) enddo sestaveni celeho pulsu DIMJex2TABLE10011timeJ Jex2(11)=0 Jex2(10)=0 doi2501 Jex2(i1)=Jex(i1) Jex2(i0)=(i) enddo doi511001 Jex2(i1)=Jex1(i-501) Jex2(i0)=(i) enddo priprava nulovych vektoru kladneho a zaporneho prubehu J DIMJ1TABLE60011timeJ DIMmJ1TABLE60011timeJ doi16001 J1(i0)=(i-1)dt time J1(i1)=0 J mJ1(i0)=(i-1)dt time mJ1(i1)=0 -J enddo vlozeni prvniho pulsu doi11001 J1(i1)=Jex2(i1) mJ1(i1)=-Jex2(i1) enddo vlozeni druheho pulsu doi3004001 J1(i1)=-Jex2(i-3001) mJ1(i1)=Jex2(i-3001) enddo prirazeni prubehu k plocham PREP7 FLST215ORDE1 FITEM28 BFAP51XJSJ1 FLST215ORDE1 FITEM29 BFAP51XJSmJ1
75 Nastaveniacute analyacutezy SOL prepnuti do Solution modu - nastaveni analyzy kroku=300 pocet kroku simulace ANTYPE4 TRNOPTFULL
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
6
NSUBSTkroku00 OUTRESERASE OUTRESALL1 TIMET_max solve spusti vypocet ulohy
76 Postprocessing POST1 prepne do Preprocesing modu krokyb=200 pocet kroku na delku coilgapu L=03 delka Rx snimace hrx1=(h2)+10e-3 jednotlive vyskove pozice Rx vinuti hrx2=(h2)+526e-3 hrx3=(h2) hrx4=((h2)-526e-3) hrx5=((h2)-10e-3) vytvoreni pole hodnot - 10 sloupcu x 300 radku sloupce odpovidaji poctu jednotlivych civek 2x5 (5 poloh horni a dolni civka) DIMTOKTABLEkroku101SUBSTEP TOK(00)=0 TOK(01)=0 TOK(02)=0 TOK(03)=0 TOK(04)=0 TOK(05)=0 TOK(06)=0 TOK(07)=0 TOK(08)=0 TOK(09)=0 TOK(010)=0 dok1kroku1 hlavni cyklus pocet cyklu odpovida poctu kroku analyzy APPEND 1 k nacteni k-teho kroku analyzy tato cast kodu je nutna pro kazdou civku zvlast (10x se opakuje) PATHHORNI26krokyb-1 definovani cesty horni civky PPATH10-c2hrx10 levy koncovy bod PPATH20c2hrx10 pravy koncovy bod PDEF BYAVG namapovani Y-slozky magneticke indukce B PCALCINTGINT_HORBYXGL vypocet integralu z By podle dX PBCPATH 0 PAGETHORNI1_TABL ulozeni hodnot ziskanych na definovane ceste do pole HORNI1_ PADELALL smazani cesty i s hodnotamy (pole HORNI1_ zustava) konec opakujici se casti prirazovani posledni hodnoty integralu do prislusneho pole vysledku TOK(k0)=k casova osa TOK(k1)=HORNI1_(krokyb6) TOK(k2)=DOLNI1_(krokyb6) TOK(k3)=HORNI2_(krokyb6) TOK(k4)=DOLNI2_(krokyb6) TOK(k5)=HORNI3_(krokyb6) TOK(k6)=DOLNI3_(krokyb6) TOK(k7)=HORNI4_(krokyb6) TOK(k8)=DOLNI4_(krokyb6) TOK(k9)=HORNI5_(krokyb6) TOK(k10)=DOLNI5_(krokyb6) DELPRM_ smaze vsechny pole vysledku koncici znakem _ enddo konec cyklu zapis_tok odkaz na skript pro zapsani pole vysledku do souboru txt
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
7
77 Makro Vyacutepis makra ktereacute uklaacutedaacute hodnoty do souboru tok_fitxt
MWRITETOK(111)tok_fitxt vytvori soubor tok_fitxt a ulozi do
nej matici vysletku TOK
(10E135) urcuje format zapisu hodnot - 10
sloupcu cisel o celkove delce 13ti
znaku z toho 5 za desetinou teckou
CFCLOS uzavre soubor
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
8
Eviden čniacute list
Souhlasiacutem s tiacutem aby moje bakalaacuteřskaacute praacutece byla půjčovaacutena k prezenčniacutemu studiu v
Univerzitniacute knihově ZČU v Plzni
Datum Podpis
Uživatel stvrzuje svyacutem čitelnyacutem podpisem že tuto bakalaacuteřskou praacuteci použil ke studijniacutem
uacutečelům a prohlašuje že ji uvede mezi použityacutemi prameny
Jmeacuteno Fakultakatedra Datum Podpis
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
24
Obr 38 Vyvažovaciacute očko na Tx vinutiacute a vlepenyacute pliacutešek uvnitř detekčniacuteho otvoru
Tato smyčka plniacute funkci kompenzačniacuteho vinutiacute po natvarovaacuteniacute je očko zaliteacute epoxidovyacutem
lepidlem U detektorů s vnitřniacute uacutepravou detekčniacuteho otvoru modryacutem epoxidem se do
detekčniacuteho otvoru daacutele vlepujiacute vyvažovaciacute pliacutešky různyacutech tvarů a velikostiacute (od 1 cm2 do 4
cm2) obr 38 ktereacute se naacutesledně zalijiacute do roviny modryacutem epoxidem Jako materiaacutel
vyvažovaciacutech pliacutešků je použita nerezovaacute ocel ANSI 304 (DIN 14301) tloušťky 2 mm Druhyacute
typ detektorů s odolnyacutem plastovyacutem povrchem (typ US) neumožňuje vlepovaacuteniacute pliacutešků
dovnitř detekčniacuteho otvoru Balancovaacuteniacute se tedy provaacutediacute přesnějšiacutem tvarovaacuteniacutem Tx očka
popřiacutepadě vlepovaacuteniacutem pliacutešků v jeho okoliacute
Pro jemneacute doladěniacute se u obou těchto variant (US typ a klasickyacute s modrou epoxidovou
vyacuteplniacute detekčniacuteho otvoru) osazujiacute balančniacute moduly obr 39 ktereacute na plastoveacutem otočneacutem diacutelu
majiacute tuning block o rozměrech cca 05 cm2 z 5 mm tlusteacuteho nerezu Oba balančniacute moduly
umožňujiacute pohyb tuning blocku v okoliacute vyvažovaciacuteho očka
Obr 39 Balančniacute moduly i s kryciacutemi plechy vlevo US vpravo klasickyacute
Tyto moduly nejsou přiacuteliš efektivniacute a sloužiacute pouze k miacuterneacutemu vyvaacuteženiacute Použiacutevajiacute se dva typy
Tuning block
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
25
těchto modulů podle varianty vnitřniacute vyacuteplně detektoru (US typ a klasickyacute s modrou
epoxidovou vyacuteplniacute detekčniacuteho otvoru) Jedniacutem z přijatyacutech naacutevrhů pro vylepšeniacute detektorů s
modrou epoxidovou vyacuteplniacute je použitiacute stejneacuteho balančniacuteho modulu jako u detektoru typu US
Vyacuterobniacute cena US balančniacuteho modulu je podstatně nižšiacute a umožňuje změnu polohy
vyvažovaciacuteho diacutelu nejen po obvodu kružnice ale i změnu vzdaacutelenosti mezi rovinami očka a
tuning bloku Změna teacuteto vzdaacutelenosti se využije v přiacutepadě kdy po osazeniacute detektoru s modrou
epoxidovou pryskyřiciacute balančniacutem modulem dojde ke zhoršeniacute vyvaacuteženiacute ktereacute pouhyacutem
natočeniacutem po kružnici nelze vykompenzovat Použiacutevaacuteniacutem pouze balančniacuteho modulu typu
US by se dosaacutehlo sniacuteženiacute počtu součaacutestek ve vyacuterobniacutem procesu sniacuteženiacute naacutekladů na vyacuterobu
detektoru s modrou epoxidovou vyacuteplniacute detekčniacuteho prostoru a odstranil by se i probleacutem
vznikajiacuteciacute při osazeniacute těchto detektorů balančniacutemi moduly
Dalšiacute naacutevrh se tyacutekal materiaacutelu použiteacuteho na tuning block Snahou bylo zvyacutešit vliv
tuning bloku natolik aby bylo možneacute vynechat kompenzačniacute očko čiacutemž by došlo k urychleniacute
laděniacute Byly testovaacuteny materiaacutely FeNi47ln5 tloušťky 03 mm a FeNi42 tloušťky 04 mm Byl
zvolen tvar kteryacute umožňoval použitiacute staacutevajiacuteciacutech US modulů obr 310 Vliv tuning blocků
se sice zvyacutešil nicmeacuteně ne natolik aby mohlo byacutet vyvažovaciacute očko zcela vynechaacuteno
Obr 310 Prototypy tuning blocků z novyacutech materiaacutelů
36 Vyacutestupniacute kontrola Před samotnou expediciacute detektoru je nutneacute proveacutest kontrolu detekce Kvalita detekce
je ověřovaacutena třemi typy kontaminantů neželeznyacute - NONFE (mosaz) železnyacute - FE (chromovaacute
ocel) a nerezovyacute - SS (ANSI 304) K tomu jsou určeny přiacutepravky na obr 311 a 312 Jednaacute
se o kuličky definovanyacutech průměrů ktereacute jsou zaliteacute v plastovyacutech tyčinkaacutech opatřenyacutech
rozměrovou specifikaciacute kontaminantu Barva tyček odlišuje použityacute typ kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
26
Obr 311 Testovaciacute vzorky pro dopravniacutekoveacute detektory
Obr 312 Testovaciacute vzorky pro farmaceutickeacute detektory
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
27
4 Optimalizace a stiacuten ěniacute detektoru Jedniacutem z bodů teacuteto praacutece je navrženiacute optimalizaciacute průmysloveacuteho detektoru kovu z
hlediska kvality detekce a vyšetřeniacute elektromagnetickeacuteho pole s ohledem na rušiveacute vlivy Z
počaacutetku byly provaacuteděny pokusy se stiacuteněniacutem ciacutevek s ohledem na rušeniacute vnějšiacutem
elektromagnetickyacutem polem Prvniacute uacutevahy vedly k použitiacute stiacuteniacuteciacuteho materiaacutelu s velkou
permeabilitou kteryacute by do sebe soustředil většiacute množstviacute indukčniacutech čar unikajiacuteciacutech do okoliacute
a tiacutem omezil vnějšiacute rušeniacute Na zaacutekladě teacuteto uacutevahy byly testovaacuteny dva materiaacutely FeNi47ln5
tloušťky 03 mm a FeNi42 tloušťky 04 mm ktereacute mohou dosahovat relativniacute permeability až
micror_12106 [5] Těmito pokusy se sice sniacutežilo množstviacute indukčniacutech čar magnetickeacuteho pole
unikajiacuteciacuteho z detektoru ale vlivem přiacuteliš velkeacute permeability bylo ovlivněno i pole uvnitř
detekčniacuteho prostoru kde došlo ke sniacuteženiacute citlivosti Tento naacutevrh měl dalšiacute negativniacute faktory
jako je vysokaacute cena použityacutech materiaacutelů a omezeneacute vyacuterobniacute možnosti nedostačujiacuteciacute šiacuteřkou
paacutesů což by vedlo ke sklaacutedaacuteniacute plechů vedle sebe a tiacutem ke vzniku nehomogenit
Aby byly optimalizace efektivniacute je třeba znaacutet rozloženiacute elektromagnetickeacuteho pole
uvnitř detektoru a vlivy ktereacute na něj působiacute Proto bylo přistoupeno k využitiacute počiacutetačoveacuteho
softwaru Ansys Jednaacute se o profesionaacutelniacute software založenyacute na metodě konečnyacutech prvků Je
určen předevšiacutem pro simulace mechanickeacuteho namaacutehaacuteniacute ale umožňuje i řešeniacute teplotniacutech
elektromagnetickyacutech a sdruženyacutech poliacute [6] Ansys byl vybraacuten předevšiacutem pro možnost řešeniacute i
3D probleacutemů V teacuteto praacuteci bylo z důvodů vyacutepočetniacute naacuteročnosti a velkeacuteho množstviacute
jednotlivyacutech vyacutepočtů přistoupeno k řešeniacute probleacutemu pouze ve dvourozměrneacutem prostoru V
tomto přiacutepadě je řešeno nestacionaacuterniacute magnetickeacute pole ktereacute popisuje rovnice (41) [7]
( ) extr JArotdt
dABArotrot =timesminus+
minus γυγmicro1
(41)
kde
BArot = (42)
A magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel
micro permeabilita
Br remanentniacute indukce
B magnetickaacute indukce
γ měrnaacute elektrickaacute vodivost
ν rychlost pohybu tělesa v magnetickeacutem poli
Jext vektor vnějšiacute proudoveacute hustoty
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
28
41 Vyšet řovaacuteniacute vlivu pozice Rx vinutiacute Nejprve byly provedeny simulace staacutevajiacuteciacuteho zařiacutezeniacute o rozměrech detekčniacuteho otvoru
150 mm x 350 mm Zaacutekladniacute geometrie probleacutemu je na obraacutezku 41 Pro řešeniacute zaacutekladniacuteho
probleacutemu by bylo možneacute použiacutet symetrii modelu pokud však model doplniacuteme o kontaminant
možnost teacuteto symetrie odpadaacute Byly provedeny tři seacuterie vyacutepočtů ktereacute se lišily materiaacutelem
kontaminantu Každaacute seacuterie se sklaacutedala z 24 samostatnyacutech vyacutepočtů ve kteryacutech se postupně
měnila pozice kontaminantu tak jako je tomu při skutečneacute situaci na dopravniacutem paacutesu
Použityacutem APDL skriptem by bylo možneacute řešit i průchody kontaminantu v různyacutech vyacuteškaacutech
detekčniacuteho otvoru Pro potřeby těchto vyacutepočtů byl průchod zvolen středem jelikož je zde
citlivost detektoru nejnižšiacute Nutno poukaacutezat na skutečnost že kontaminant reprezentovanyacute
kružniciacute v řezu detektoru nelze považovat za kulovyacute nyacutebrž za vodič kruhoveacuteho průřezu
stejneacute deacutelky jako Tx respektive Rx vinutiacute Rozmeziacute pohybu kontaminantu bylo od -230 mm
do 230 mm vůči Tx vinutiacute s krokem 20 mm Obdeacutelniacuteky v okoliacute Tx vinutiacute byly vytvořeny za
uacutečelem možnosti zjemněniacute vyacutepočetniacute siacutetě v prostoru Tx a Rx vinutiacute Na obraacutezku 41 nejsou
namodelovaacuteny Rx ciacutevky neboť hodnota naindukovaneacuteho napětiacute byla ziacuteskaacutevaacutena v pěti
různyacutech vyacuteškovyacutech poziciacutech a bylo hodnoceno indukovaneacute napětiacute Ui
Obr 41 Zaacutekladniacute geometrie
nerezovyacute kryt
vodiče Tx vinutiacute
kontaminant
obdeacutelniacuteky vzduchoveacuteho okoliacute s jemnějšiacute vyacutepočetniacute siacutetiacute střed souřadneacuteho
systeacutemu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
29
411 Preprocessing - p řiacuteprava skriptu Nejprve bylo nutneacute zjistit geometrickeacute rozměry a materiaacuteloveacute konstanty zkoumaneacuteho
detektoru Geometrickeacute rozměry byly ziacuteskaacuteny z databaacuteze Solidworks modelů společnosti
Loma Systems sro V kapitole 71 je uacuteryvek APDL skriptu pro tvorbu geometrie
Materiaacutely použiteacute v modelu jsou vzduch vodiče Tx vinutiacute nerezovyacute obal detektoru a
materiaacutely kontaminantů V raacutemci zjednodušeniacute modelu nebyly uvažovaacuteny PVC izolace Tx
vinutiacute samotneacute Tufneloveacute jaacutedro a materiaacutel s niacutemž je prostor mezi jaacutedrem a nerezovyacutem
krytem vyplněn neboť tyto materiaacutely vykazujiacute z pohledu šiacuteřeniacute elektromagnetickeacuteho pole
stejneacute vlastnosti jako vzduch Konkreacutetniacute hodnoty materiaacutelovyacutech konstant viz tabulka 41
odpor Tx vinutiacute nebyl uvažovaacuten neboť jeho plochy byly zatiacuteženy definovanou proudovou
hustotou tudiacutež neniacute možneacute uvažovat přiacutepadně naindukovaneacute viacuteřiveacute proudy Daacutele bylo nutneacute
zvolit a spraacutevně nastavit použiteacute elementy modelu
Tab 41 Materiaacuteloveacute vlastnosti
měrnaacute
permeabilita [-] měrnyacute elektrickyacute
odpor [Ωm]
vzduch 1 -
Tx vinutiacute 1 -
nerezovaacute ocel (ANSI 304 DIN 14301)
1008 [10] 72010-7
neželeznyacute kontaminant (mosaz)
1 75010-8
železnyacute kontaminant (chromovaacute ocel)
400 12010-7
nerezovyacute kontaminant (ANSI 304 DIN 14301) 1008 72010-7
Jako elementy daneacuteho modelu byly zvoleny elementy PLANE53 určeneacute pro řešeniacute
magnetickeacuteho pole Jednaacute se o osmi uzloveacute elementy ktereacute mohou miacutet až čtyři stupně
volnosti na uzel Stupně volnosti mohou byacutet magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel (AZ) časově
integrovanyacute elektrickyacute skalaacuterniacute potenciaacutel (VOLT) elektrickyacute proud (CURR) a
elektromotorickaacute siacutela (EMF) [6] Geometrie elementu na obr 42
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
30
Obr 42 Geometrie elementu PLANE53 [6]
Uacuteryvek koacutedu v kapitole 72 obsahuje definovaacuteniacute materiaacutelovyacutech vlastnostiacute definovaacuteniacute
elementů a jejich nastaveniacute V dalšiacute časti bylo nutneacute jednotliveacute materiaacutely a elementy přiřadit
danyacutem plochaacutem
Daacutele bylo zapotřebiacute nastavit atributy pro automatickeacute siacuteťovaacuteniacute oblasti Je nutneacute aby v
tenkyacutech a malyacutech plochaacutech byla vyššiacute hustota siacutetě než na velkyacutech plochaacutech kde postačuje siacuteť
řidšiacute Velmi důležitaacute je kompatibilita siacutetě proto byla v okoliacute Tx vodičů vytvořena
obdeacutelniacutekovaacute oblast s hustšiacute siacutetiacute viz uacuteryvek koacutedu v přiacuteloze 73
Obr 43 Detailniacute pohled na siacuteť elementů
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
31
V posledniacute čaacutesti preprocessingu byla definovaacutena Dirichletova okrajovaacute podmiacutenka
udaacutevajiacuteciacute magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel roven nule na vnějšiacute hrany vzduchoveacuteho okoliacute a
průběh budiacuteciacute proudoveacute hustoty v Tx vodičiacutech V horniacutem a dolniacutem vodiči měly toky opačnyacute
smysl proto bylo nutneacute vytvořit dva vektory hodnot J1 (obr 44) a mJ1 V posledniacute řadě bylo
provedeno přiřazeniacute průběhů k plochaacutem viz kapitola 74
Obr 44 Průběh proudoveacute hustoty v ploše Tx vodiče
Ansys byl do Solution modu přepnut přiacutekazem SOL kde se provedlo nastaveniacute
analyacutezy a byl spuštěn vyacutepočet viz kapitola 76
412 Postprocessing - ziacuteskaacutevaacuteniacute vyacutesledk ů Ciacutelem teacuteto čaacutesti bylo zjištěniacute průběhů naindukovanyacutech napětiacute Ui v zaacutevislosti na čase
pro různeacute vyacuteškoveacute pozice přijiacutemaciacutech ciacutevek Rx Pro indukovaneacute napětiacute platiacute vztah
( )Vndt
dU i sdotΦminus= (43)
kde
( )TdxBlx
x
Yint sdotsdot=Φ2
1
(44)
n počet zaacutevitů Rx vinutiacute
l deacutelka Rx vinutiacute ve směru osy Z
x1 a x2 šiacuteřka Rx vinutiacute ve směru osy X
BY složka magnetickeacute indukce v ose Y
Zadaacuteniacutem souřadnic dvou bodů se nadefinovala uacutesečka (cesta) na kterou byly s určityacutem
J (Am-2)
kroky vyacutepočtu (-)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
32
krokem zaznamenaacuteny hodnoty magnetickeacute indukce BY Průběh BY v zaacutevislosti na souřadnici X
je na obr 45
Obr 45 Průběh magnetickeacute indukce BY v zaacutevislosti na souřadnici X
Obr 46 Průběh magnetickeacuteho toku Φ v zaacutevislosti na souřadnici X
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
33
Integrovaacuteniacutem průběhu BY se ziacuteskal průběh magnetickeacuteho indukčniacuteho toku Φ obr 46
Magnetickyacute indukčniacute tok Φ je roven určiteacutemu integraacutelu (rovnice 44) průběhu BY obr 45 Z
toho vyplyacutevaacute že magnetickyacute indukčniacute tok je roven posledniacute hodnotě průběhu na obr 46
Tato hodnota se vynaacutesobila deacutelkou Rx vinutiacute Postup vyacutepočtu se opakoval pro všechny pozice
Rx vinutiacute a to v každeacutem kroku transientniacute analyacutezy Tiacutem se ziacuteskala zaacutevislost magnetickeacuteho
indukčniacuteho toku Φ na čase t V programu MS Excel se vynaacutesobil tok počtem zaacutevitů Rx vinutiacute
a byla provedena derivace podle času (rovnice 43) Takto byly zpracovaacuteny vyacutesledky pro
všechny pozice kontaminantu vůči Tx vinutiacute APDL skript pro ziacuteskaacutevaacuteniacute hodnot viz kapitola
76 a v kapitole 77 je vyacutepis makra ktereacute uklaacutedaacute hodnoty do souboru
413 Hodnoceniacute vyacutesledk ů Vypočteneacute hodnoty Ui ve všech pěti vyacuteškovyacutech poziciacutech hrx byly vyneseny do grafů v
zaacutevislosti na čase Pokud se vynesou do jednoho grafu průběhy indukovanyacutech napětiacute pro
každou pozici kontaminantu v daneacute vyacutešce lze sledovat odezvu indukovaneacuteho napětiacute na
polohu kontaminantu Jelikož byly provedeny tři seacuterie vyacutepočtů s různyacutemi kontaminanty lze
porovnat i tvary přijiacutemanyacutech signaacutelu pro jednotliveacute materiaacutely Ciacutelem teacuteto čaacutesti je porovnat
signaacutely ziacuteskaacutevaneacute v různyacutech vyacuteškovyacutech polohaacutech Rx vinutiacute a vybrat nejvhodnějšiacute signaacutel pro
detekci
Na naacutesledujiacuteciacutech grafech jsou znaacutezorněny napěťoveacute průběhy během jedneacute periody v
zaacutevislosti na poloze kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
34
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 47 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 48 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
35
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 49 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 410 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
36
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 411 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 5)
Na obraacutezciacutech 47 až 411 jsou zobrazeny průběhy odpoviacutedajiacuteciacute průchodu železneacuteho
kontaminantu s relativniacute permeablitou 400 a měrnyacutem elektrickyacutem odporem 10210-7 Ωm Na
průběziacutech 47 48 a 411 lze pozorovat sice nižšiacute hodnotu signaacutelu ale celkovaacute deformace
během průchodu kontaminantu je většiacute
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 412 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
37
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 413 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 414 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
38
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 415 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 416 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce5)
Na obraacutezciacutech 412 až 416 jsou zobrazeneacute průběhy odpoviacutedajiacuteciacute průchodu kontaminantu z
nerezu ANSI 304 s relativniacute permeablitou 1008 a měrnyacutem elektrickyacutem odporem 7210-7
Ωm Při porovnaacuteniacute s předchoziacutem kontaminantem je změna signaacutelu nižšiacute což odpoviacutedaacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
39
předpokladům o obtiacutežnějšiacute detekci nerezovyacutech kontaminantů
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 417 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 418 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
40
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 419 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 420 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
41
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 421 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 5)
Na obraacutezciacutech 417 až 421 jsou zobrazeny průběhy odpoviacutedajiacuteciacute neželezneacutemu
kontaminantu (mědi) s parametry relativniacute permeablita 1 a měrnyacute elektrickyacute odpor 7510-8
Ωm Průběh signaacutelu je velmi podobnyacute signaacutelům nerezoveacuteho kontaminantu
Porovnaacuteniacutem všech grafů (obr 47 - obr 422) je obecně vidět že u průběhů ve vyacutešce
3 a 4 je zisk signaacutelu pro všechny modelovaneacute kontaminanty největšiacute Dochaacuteziacute zde ale ke
změně amplitudy pouze v jednom smyslu což z hlediska vyhodnocovaciacutech algoritmů zlepšeniacute
detekce vylučuje Naproti tomu je u signaacutelu ve vyacutešce 5 znatelně vyššiacute amplituda než v
použiacutevaneacute vyacutešce 2 Na zaacutekladě tohoto zjištěniacute bude zhotoven prototyp detektoru za uacutečelem
ověřeniacute teoretickyacutech vyacutesledků
Na obraacutezku 422 je ukaacutezka grafickeacuteho vyacutestupu zobrazujiacuteciacuteho vektory proudoveacute
hustoty naindukovaneacute v nerezoveacutem krytu a v kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
42
Obr 422 Vektory proudovyacutech hustot naindukovanyacutech do kontaminantu a nerezoveacuteho krytu
Obraacutezek 423 zobrazuje kontury magnetickeacuteho pole ve stejneacutem časoveacutem kroku jako obr
422 Pole ktereacute je konturami zobrazeno je tvořeno praacutevě proudovou hustotou obr 422 Je
zde možneacute pozorovat jak se pole deformuje přiacutetomnyacutem kontaminantem
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
43
Obr 423 Kontury magnetickeacuteho vektoroveacuteho potenciaacutelu s viditelnou deformaciacute pole způsobenou
feromagnetickyacutem kontaminantem
42 Vyšet řovaacuteniacute množstviacute vyza řovaneacute energie V teacuteto čaacutesti se vychaacutezelo z předpokladu že intenzita elektromagnetickeacuteho pole uvnitř
detektoru je mnohem většiacute než elektromagnetickyacute šum kteryacute do detektoru vnikaacute z okoliacute
Proto lze předpoklaacutedat že rušeniacute bude způsobeno předevšiacutem deformaciacute vlastniacuteho
vyzařovaneacuteho pole v bliacutezkeacutem okoliacute detektoru To vede ke snaze snižovat množstviacute vlastniacuteho
vyzaacuteřeneacuteho pole ven z detektoru aby nemohlo byacutet deformovaacuteno okolniacutemi předměty
421 Řešeniacute probleacutemu Bylo porovnaacuteno pět variant detektorů bez průchodu kontaminantu Každaacute varianta se
řešila jedniacutem vyacutepočtem z čehož plyne malaacute časovaacute naacuteročnost a proto byly probleacutemy řešeny
bez využitiacute symetrie Prvniacute byl staacutevajiacuteciacute detektor o tloušťce kryciacuteho nerezoveacuteho plechu 3 mm
druhyacute byl stejneacute geometrie ale za použitiacute silnějšiacuteho 5 mm tlusteacuteho nerezu Třetiacute typ měl
tloušťku 3 mm ale na horniacute a dolniacute stěně bylo přidaacuteno dalšiacute stiacuteněniacute z nerezu ve tvaru T (obr
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
44
426) Posledniacute dva naacutevrhy měly pravouacutehlyacute tvar krytu celkově menšiacutech rozměrů z nichž jeden
byl jednoduchyacute o tloušťce 3 mm (obr 427) a druhyacute měl shora a zdola dvojiteacute dno z nerezu
tloušťky 3 mm (obr_428) Touto metodou by se dalo porovnaacutevat mnohem většiacute množstviacute
provedeniacute ktereacute by se mohly lišit i použityacutem materiaacutelem Vzduchoveacute okoliacute detektoru bylo
rozděleno na čtyři sektory v nichž se sečetly hodnoty magnetickeacute energie jednotlivyacutech
elementů v každeacutem kroku analyacutezy a tiacutem se ziacuteskal průběh množstviacute energie v daneacutem prostoru
na čase Objemovaacute hustota magnetickeacute energie byla zjišťovaacutena ve všech plochaacutech daneacute
geometrie a bylo možno sledovat jak se energie v čase přemisťuje
Obr 424 Geometrie varianty 3 mm
Obr 425 Geometrie varianty 5 mm
Obr 426 Geometrie varianty 3 mm-stineni
Obr 427 Geometrie varianty novy 1
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
45
Obr 428 Geometrie varianty novy 2
Přiacuteprava skriptů se od předchoziacutech vyacutepočtů lišila pouze v geometrii jinak byla
principiaacutelně stejnaacute Rozdiacutel byl však v čaacutesti post-processingu (ziacuteskaacutevaacuteniacute vyacutesledků) Aby bylo
možno přistupovat k jednotlivyacutem sektorům musel byacutet každyacute sektor definovaacuten vlastniacutem typem
elementů (elementy byly použity stejneacute jednaacute se pouze o čiacuteslovaacuteniacute) Byly použity osmkraacutet
elementy PLANE53
ET153 Tx vinuti ET253 prostor uvnitr detektoru ET353 nerezovy obal ET453 detekcni prostor ET553 vzduchove okoli - horni ET653 vzduchove okoli - pravy ET753 vzduchove okoli - dolni ET853 vzduchove okoli - levy
Přiacuteklad načiacutetaacuteniacute vyacutesledků pro jeden typ elementů
POST1 prepnutiacute do postprocesoru allsel oznaceni vsech elementu vytvoreni pole pro ukadani hodnot DIMenergie1TABLEkroku11timeE zapsani nulovych hodnot na zacatek vektoru vysledku energie1(00)=0 energie1(01)=0 cyklus ve kterem se nacitaji vysledky jednotlivych kroku simulace doi1kroku1 APPEND 1 i nacteni daneho kroku eseltype1 vybrani elementu typu 1 GET e_count1 ELEM count vraci mnozstvi elementu daneho typu GET e_next ELEM 0 NXTH vraci nejnizsi adresu elementu daneho typu v promenne e_next energ1=0 vynulovani promenne cyklus ktery postupne prochazi vsechy elementy daneho typu doj1e_count11 GET e_energ1 ELEM e_next SENE ulozi do promene e_energ1 mnozstvi energie v elementu s adresou e_next
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
46
GET e_next ELEM e_next NXTH posune adresu elementu o jedna energ1=energ1+e_energ1 pricte mnozstvi energie e_energ1 do kumulativni promnenne energ1 enddo konec vnitrniho cyklu energie1(i0)=i zapise do pole vysledku cislu jirju simulace energie1(i1)=energ1 zapise do pole vysledku mnozstvi energie v cele plose s elementy daneho typu enddo konec vnejsiho cyklu zapis_energ zavolani makra pro zapis vysledku do souboru
422 Hodnoceniacute vyacutesledk ů V jednotlivyacutech sektorech se provedla suma magnetickeacute energie pro každyacute krok
simulace Vyacutesledkem jsou průběhy množstviacute energie v daneacute ploše v zaacutevislosti na krociacutech
simulace (čase) Jednotliveacute varianty byly hodnoceny na zaacutekladě porovnaacuteniacute průběhů se
staacutevajiacuteciacutem detektorem
Energie v Tx vinutiacute
000E+00
100E-03
200E-03
300E-03
400E-03
500E-03
600E-03
700E-03
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 429 Energie v Tx vinutiacute
Na grafu (obr 429) je vidět že množstviacute energie v Tx vinutiacute neniacute zaacutevisleacute na geometrii a je
daacuteno budiacuteciacutem signaacutelem v Tx vinutiacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
47
Energie unit ř detektoru
000E+00
200E-02
400E-02
600E-02
800E-02
100E-01
120E-01
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 430 Energie uvnitř detektoru
Na obr 430 je znaacutezorněno množstviacute energie v prostoru detektoru do ktereacuteho neniacute
započiacutetaacutena detekčniacute oblast ta je zobrazena na obr 432 V teacuteto čaacutesti neniacute pozorovaacutena žaacutednaacute
vyacuteraznaacute změna
Energie v nerezoveacutem obalu
000E+00
500E-05
100E-04
150E-04
200E-04
250E-04
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 431 Energie v nerezoveacutem obalu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
48
Vyacuteraznějšiacute změny se odehraacutevajiacute v nerezoveacutem obalu Nejmenšiacute množstviacute energie je v klasickeacute
3 mm tlusteacute a v 5 mm tlusteacute variantě U klasickeacute varianty se stiacuteněniacutem a u novyacutech naacutevrhů je
naacuterůst způsoben přibliacuteženiacutem nerezu k Tx vinutiacute
Energie v prostoru detek čniacuteho otvoru
000E+00
500E-03
100E-02
150E-02
200E-02
250E-02
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 432 Energie v prostoru detekčniacuteho otvoru
V oblasti detekčniacuteho otvoru je snaha o uchovaacuteniacute co největšiacuteho množstviacute energie neboť
zmenšeniacute energie vede ke sniacuteženiacute odezvy na kontaminant tedy ke sniacuteženiacute citlivosti detektoru
Z obr 432 je patrneacute že geometrickeacute uacutepravy detektoru (3 mm se stiacuteněniacutem novy 1 a novy 2)
vedou ke sniacuteženiacute množstviacute energie v tomto prostoru
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
49
Energie v horniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
100E-07
200E-07
300E-07
400E-07
500E-07
600E-07
700E-07
800E-07
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 433 Energie v horniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Energie v dolniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
100E-07
200E-07
300E-07
400E-07
500E-07
600E-07
700E-07
800E-07
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 434 Energie v dolniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Porovnajiacute-li se obr 433 a 434 je u variant 1 - 3 možneacute pozorovat rozdiacutely mezi horniacute a dolniacute
plochou Je zde na prvniacute pohled vidět jak horniacute oblouk snižuje množstviacute energie unikajiacuteciacute do
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
50
okoliacute Jako uacutečinneacute se z pohledu těchto sektorů jeviacute varianta klasickeacuteho detektoru se stiacuteněniacutem a
novyacute naacutevrh s dvojityacutemi stěnami
Energie v praveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
500E-06
100E-05
150E-05
200E-05
250E-05
300E-05
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 435 Energie v praveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Energie v leveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
500E-06
100E-05
150E-05
200E-05
250E-05
300E-05
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 436 Energie v leveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
51
Pravyacute a levyacute sektor je z důvodů symetrie stejnyacute na obrazciacutech 435 a 436 lze pozorovat tzv
metal free zoacutenu kteraacute se u detektorů udaacutevaacute Jednaacute se o prostor před a za detekčniacutem otvorem
ve ktereacutem se nesmiacute nachaacutezet žaacutednyacute kovovyacute materiaacutel (z důvodu ovlivňovaacuteniacute pole) snahou je
tuto zoacutenu co nejviacutece zmenšit Z grafů je patrneacute že novyacute naacutevrh s dvojityacutemi stěnami vykazuje
nejmenšiacute množstviacute energie v teacuteto oblasti Naopak u klasickeacute varianty se stiacuteněniacutem došlo k
vytlačeniacute pole z vnitřku detektoru praacutevě do těchto okolniacutech zoacuten
Na zaacutekladě těchto poznatků bude provedeno ověřeniacute na skutečnyacutech zařiacutezeniacutech Mezi
použitelneacute varianty připadaacute klasickaacute konstrukce doplněnaacute o stiacuteněniacute a novyacute naacutevrh s dvojityacutemi
stěnami U toho je však velkaacute hrozba sniacuteženiacute citlivosti způsobeneacute menšiacutem množstviacutem energie
v detekčniacutem prostoru
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
52
5 Zaacutevěr Ciacutelem předklaacutedaneacute praacutece je zlepšeniacute činnosti detektorů kovů přiacutepadně uacuteprava
technologie vyacuteroby při současneacutem sniacuteženiacute vyacuterobniacutech naacutekladů Předpokladem uacutespěšnyacutech
naacutevrhů byla podrobnaacute studie činnosti a principu těchto zařiacutezeniacute kteraacute jsou vyacuterobcem po
několik let uacutespěšně prodaacutevaacutena na světovyacutech trziacutech
Na zaacutekladě těchto požadavků byly provedeny některeacute testy ktereacute měly ověřit
předpoklaacutedanaacute zlepšeniacute Nejširšiacute možnosti přinaacutešiacute modelovaacuteniacute magnetickeacuteho pole
průmyslovyacutech detektorů počiacutetačovou simulaciacute kteraacute je zatiacutem schopna řešit zadaneacute probleacutemy
v dvourozměrneacutem prostoru Nejčastěji řešeneacute probleacutemy jsou staacutele spojeny se zaacutekladniacutem
principem činnosti těchto zařiacutezeniacute tj vlivem a působeniacutem kontaminantu na
elektromagnetickeacute pole buzeneacute ciacutevkami uvnitř detektoru a nepřiacuteznivyacute vliv vnějšiacutech rušivyacutech
poliacute např při současneacute činnosti sousedniacutech detektorů Dalšiacutem zdrojem rušivyacutech magnetickyacutech
poliacute může byacutet i činnost a přiacutetomnost různyacutech elektrickyacutech zařiacutezeniacute probleacutem spojenyacute s
vhodnyacutem materiaacutelem a tvarem stiacuteněniacute těchto zařiacutezeniacute
Vzhledem k maximaacutelniacute citlivosti elektronickyacutech obvodů a požadovaneacute pečlivosti při
balancovaacuteniacute (vyvažovaacuteniacute) se vyskytuje probleacutem kteryacute souvisiacute se staacutelostiacute nastaveniacute detektoru
při mechanickeacutem otřesu přiacutepadně odstraněniacute změn ke kteryacutem dochaacuteziacute vlivem dopravy
Dalšiacutem plaacutenovanyacutem krokem je namodelovaacuteniacute probleacutemu v trojrozměrneacutem prostoru od
ktereacuteho je očekaacutevaacuteno zohledněniacute dalšiacutech vlivů a tiacutem zpřesněniacute samotneacuteho vyacutesledku
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
53
6 Použitaacute literatura [1] Internetoveacute straacutenky společnosti Loma Systems sro
httpwwwlomacom_czindexshtml
[2] Haacutejek J Jarchovskyacute Z Detektory kovů - naacutevod na stavbu nakladatelstviacute BEN Praha
2010
[3] Beneda L Detektory kovů bakalaacuteřskaacute praacutece ZČU Plzeň 2010
[4] Internetoveacute straacutenky společnosti Ad controls sro
httpwwwadcontrolsczdetektory_kovu_zakladni_pojmy
[5] KOVOHUTĚ ROKYCANY as COMTES FHT as MATEX sro Průběžnaacute
zpraacuteva k projektu FeNi - čj 1021207 - 32 za rok (2007 - 2009)
[6] Ansys Inc ANSYS HELP Release 130 Dokumentace k programu
[7] Karban P a kolektiv autorů Aplikace teoretickeacute elektrotechniky Skripta ZČU Plzeň
2011
[8] Benešovaacute Z Ulrych B Přiacuteručka pro použitiacute programů ve vyacuteuce teorie
elektromagnetickeacuteho pole Skripta ZČU Plzeň 1997
[9] Loma Systems sro Knowledge Base - Interniacute dokumentace společnosti
[10] Internetoveacute straacutenky společnosti Aerospace specification metals Inc
httpasmmatwebcomsearchSpecificMaterialaspbassnum=MQ304A
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
1
7 Přiacutelohy
71 Tvorba geometrie PREP7 prepnuti do rezimu preprocesingu jj=8 index polohy kontaminantu r1=05e-3 polomer Tx vodice 05 mm r2=15e-3 polomer kontaminantu 15 mm c=90e-3 sirka Rx civek h=1767e-3 vzdalenost mezi Tx vinutim hrx=(h2)+526e-3 zakladni vyskova poloha mezi Rx civkami hss=175e-3 vyska nerezoveho krytu wss=150e-3 sirka nerezoveho krytu tss=3e-3 tloustka nerezove steny hd=h-227e-3 vyska detekcniho otvoru wok=1000e-3 sirka vzduchoveho okoli hok=1000e-3 vyska vzduchoveho okoli wkon=(-250e-3)+(jj20e-3) poloha kontaminantu na ose X tvorba geometrickych bodu nerezoveho krytu K1022589e-30 K2022185e-30 K3-7907e-321208e-30 K4-78e-32085e-30 K57907e-321208e-30 K678e-32085e-30 K7-wsshss0 K8-wss+tsshss-tss0 K9wsshss0 K10wss-tsshss-tss0 K11-wss-hss0 K12-wss+tss-hss+tss0 K13wss-hss0 K14wss-tss-hss+tss0 vytvoreni ploch definovanymi body FLST273 FITEM27 FITEM23 FITEM21 FITEM25 FITEM29 FITEM213 FITEM211 AP51X FLST273 FITEM28 FITEM24 FITEM22 FITEM26 FITEM210 FITEM214 FITEM212 AP51X CYL40h2r1 plocha horniho Tx vodice CYL40-h2r1 ploch dolniho Tx vodice BLC50((h2)+hrx)2100e-310e-3 plocha horniho vzduchoveho okoli Tx vodice BLC50-((h2)+hrx)2100e-310e-3 plocha dolniho vzduchoveho okoli Tx vodice BLC5002wsshd plocha detekcniho ootvoru APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch odstraneni ploch ktere budou sjednoceny se vzduchovym okolim
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
2
FLST255ORDE4 FITEM210 FITEM2-12 FITEM215 FITEM218 ADELEP51X BLC500wokhok vytvoreni plochy vzduchoveho okoli APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch CYL4wkon0r2 vytvoreni plochy kontaminantu APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch konec tvorby geometrickeho modelu
72 Definice element ů materiaacutel ů a jejich p řiřazeniacute k plochaacutem definovani materialu MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX11 material 1 Tx permeabilita 1 MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX21 material 2 Air permeabilita 1 MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX31008 material 3 nerezovy kryt SS ANSI 304 permeabilita MPTEMP MPTEMP10 MPDATARSVX372e-7 material 3 nerezoovy kryt SS Ansi 304 rezistivita MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX4400 material 4 Kontaminant permeabilita MPTEMP MPTEMP10 MPDATARSVX4102e-7 material 4 Kontaminant rezistivita definovani elementu ET153 Tx civky ET253 Vzduch ET353 nerezovy kryt ET453 kontaminant nastaveni elementu KEYOPT110 Tx civky KEYOPT120 KEYOPT130 KEYOPT140 KEYOPT150 KEYOPT170 KEYOPT210 Air KEYOPT220 KEYOPT230 KEYOPT240 KEYOPT250 KEYOPT270 KEYOPT310 SS KEYOPT320 KEYOPT330 KEYOPT340 KEYOPT350
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
3
KEYOPT370 KEYOPT410 kontaminant KEYOPT420 KEYOPT430 KEYOPT440 KEYOPT450 KEYOPT470 prirazeni elementu a materialum k plocham FLST525ORDE2 Tx FITEM58 FITEM5-9 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 1 1 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 FLST535ORDE3 Air FITEM53 FITEM516 FITEM5-17 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 2 2 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 FLST525ORDE2 SS FITEM513 FITEM5-14 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 3 3 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 CM_YAREA kontaminant ASEL 1 CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 4 4 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
4
73 Siacuteťovaacuteniacute oblastiacute FLST275ORDE7 FITEM21 FITEM28 FITEM2-9 FITEM213 FITEM2-14 FITEM216 FITEM2-17 AESIZEP51X00005 nastaveni delky steny elementu 00005 m FLST215ORDE1 FITEM23 AESIZEP51X001 nastaveni delky steny elementu 001 m MSHAPE12D nastaveni 2D trojuhelnikove site MSHKEY0 FLST585ORDE8 FITEM51 FITEM53 FITEM58 FITEM5-9 FITEM513 FITEM5-14 FITEM516 FITEM5-17 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CHKMSHAREA CMSELS_Y AMESH_Y1 spusteni automatickeho sitovani CMDELE_Y CMDELE_Y1 CMDELE_Y2
74 Okrajovaacute podmiacutenka a nastaveniacute budiciacuteho pr ůběhu okrajova podminka FLST244ORDE4 FITEM214 FITEM212 FITEM27 FITEM25 DLP51X AZ0 nastaveni zatizeni parametry budici proudove hustoty f=35e3 frekvence signalu [Hz] part=600 pocet kroku signalu T_min=0 pocatek casove osy T_max=1f konec casove osy dt=T_maxpart casovy krok parametry prudove hustoty pi=4atan(1) s=pir12 I=600sqrt(2) N1=1 J1_a=IN1s definovani vzestupne casti pulsu tau=3 DIMJexTABLE5011timeJ Jex(11)=0
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
5
Jex(10)=0 doi2501 Jex(i1)=(J1_a)(1-exp(-itau)) Jex(i0)=(i) enddo definovani sestupne casti pulsu tau=3 DIMJex1TABLE5011timeJ Jex1(11)=J1_a Jex1(10)=0 doi2501 Jex1(i1)=(J1_a)(exp(-itau)) Jex1(i0)=(i) enddo sestaveni celeho pulsu DIMJex2TABLE10011timeJ Jex2(11)=0 Jex2(10)=0 doi2501 Jex2(i1)=Jex(i1) Jex2(i0)=(i) enddo doi511001 Jex2(i1)=Jex1(i-501) Jex2(i0)=(i) enddo priprava nulovych vektoru kladneho a zaporneho prubehu J DIMJ1TABLE60011timeJ DIMmJ1TABLE60011timeJ doi16001 J1(i0)=(i-1)dt time J1(i1)=0 J mJ1(i0)=(i-1)dt time mJ1(i1)=0 -J enddo vlozeni prvniho pulsu doi11001 J1(i1)=Jex2(i1) mJ1(i1)=-Jex2(i1) enddo vlozeni druheho pulsu doi3004001 J1(i1)=-Jex2(i-3001) mJ1(i1)=Jex2(i-3001) enddo prirazeni prubehu k plocham PREP7 FLST215ORDE1 FITEM28 BFAP51XJSJ1 FLST215ORDE1 FITEM29 BFAP51XJSmJ1
75 Nastaveniacute analyacutezy SOL prepnuti do Solution modu - nastaveni analyzy kroku=300 pocet kroku simulace ANTYPE4 TRNOPTFULL
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
6
NSUBSTkroku00 OUTRESERASE OUTRESALL1 TIMET_max solve spusti vypocet ulohy
76 Postprocessing POST1 prepne do Preprocesing modu krokyb=200 pocet kroku na delku coilgapu L=03 delka Rx snimace hrx1=(h2)+10e-3 jednotlive vyskove pozice Rx vinuti hrx2=(h2)+526e-3 hrx3=(h2) hrx4=((h2)-526e-3) hrx5=((h2)-10e-3) vytvoreni pole hodnot - 10 sloupcu x 300 radku sloupce odpovidaji poctu jednotlivych civek 2x5 (5 poloh horni a dolni civka) DIMTOKTABLEkroku101SUBSTEP TOK(00)=0 TOK(01)=0 TOK(02)=0 TOK(03)=0 TOK(04)=0 TOK(05)=0 TOK(06)=0 TOK(07)=0 TOK(08)=0 TOK(09)=0 TOK(010)=0 dok1kroku1 hlavni cyklus pocet cyklu odpovida poctu kroku analyzy APPEND 1 k nacteni k-teho kroku analyzy tato cast kodu je nutna pro kazdou civku zvlast (10x se opakuje) PATHHORNI26krokyb-1 definovani cesty horni civky PPATH10-c2hrx10 levy koncovy bod PPATH20c2hrx10 pravy koncovy bod PDEF BYAVG namapovani Y-slozky magneticke indukce B PCALCINTGINT_HORBYXGL vypocet integralu z By podle dX PBCPATH 0 PAGETHORNI1_TABL ulozeni hodnot ziskanych na definovane ceste do pole HORNI1_ PADELALL smazani cesty i s hodnotamy (pole HORNI1_ zustava) konec opakujici se casti prirazovani posledni hodnoty integralu do prislusneho pole vysledku TOK(k0)=k casova osa TOK(k1)=HORNI1_(krokyb6) TOK(k2)=DOLNI1_(krokyb6) TOK(k3)=HORNI2_(krokyb6) TOK(k4)=DOLNI2_(krokyb6) TOK(k5)=HORNI3_(krokyb6) TOK(k6)=DOLNI3_(krokyb6) TOK(k7)=HORNI4_(krokyb6) TOK(k8)=DOLNI4_(krokyb6) TOK(k9)=HORNI5_(krokyb6) TOK(k10)=DOLNI5_(krokyb6) DELPRM_ smaze vsechny pole vysledku koncici znakem _ enddo konec cyklu zapis_tok odkaz na skript pro zapsani pole vysledku do souboru txt
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
7
77 Makro Vyacutepis makra ktereacute uklaacutedaacute hodnoty do souboru tok_fitxt
MWRITETOK(111)tok_fitxt vytvori soubor tok_fitxt a ulozi do
nej matici vysletku TOK
(10E135) urcuje format zapisu hodnot - 10
sloupcu cisel o celkove delce 13ti
znaku z toho 5 za desetinou teckou
CFCLOS uzavre soubor
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
8
Eviden čniacute list
Souhlasiacutem s tiacutem aby moje bakalaacuteřskaacute praacutece byla půjčovaacutena k prezenčniacutemu studiu v
Univerzitniacute knihově ZČU v Plzni
Datum Podpis
Uživatel stvrzuje svyacutem čitelnyacutem podpisem že tuto bakalaacuteřskou praacuteci použil ke studijniacutem
uacutečelům a prohlašuje že ji uvede mezi použityacutemi prameny
Jmeacuteno Fakultakatedra Datum Podpis
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
25
těchto modulů podle varianty vnitřniacute vyacuteplně detektoru (US typ a klasickyacute s modrou
epoxidovou vyacuteplniacute detekčniacuteho otvoru) Jedniacutem z přijatyacutech naacutevrhů pro vylepšeniacute detektorů s
modrou epoxidovou vyacuteplniacute je použitiacute stejneacuteho balančniacuteho modulu jako u detektoru typu US
Vyacuterobniacute cena US balančniacuteho modulu je podstatně nižšiacute a umožňuje změnu polohy
vyvažovaciacuteho diacutelu nejen po obvodu kružnice ale i změnu vzdaacutelenosti mezi rovinami očka a
tuning bloku Změna teacuteto vzdaacutelenosti se využije v přiacutepadě kdy po osazeniacute detektoru s modrou
epoxidovou pryskyřiciacute balančniacutem modulem dojde ke zhoršeniacute vyvaacuteženiacute ktereacute pouhyacutem
natočeniacutem po kružnici nelze vykompenzovat Použiacutevaacuteniacutem pouze balančniacuteho modulu typu
US by se dosaacutehlo sniacuteženiacute počtu součaacutestek ve vyacuterobniacutem procesu sniacuteženiacute naacutekladů na vyacuterobu
detektoru s modrou epoxidovou vyacuteplniacute detekčniacuteho prostoru a odstranil by se i probleacutem
vznikajiacuteciacute při osazeniacute těchto detektorů balančniacutemi moduly
Dalšiacute naacutevrh se tyacutekal materiaacutelu použiteacuteho na tuning block Snahou bylo zvyacutešit vliv
tuning bloku natolik aby bylo možneacute vynechat kompenzačniacute očko čiacutemž by došlo k urychleniacute
laděniacute Byly testovaacuteny materiaacutely FeNi47ln5 tloušťky 03 mm a FeNi42 tloušťky 04 mm Byl
zvolen tvar kteryacute umožňoval použitiacute staacutevajiacuteciacutech US modulů obr 310 Vliv tuning blocků
se sice zvyacutešil nicmeacuteně ne natolik aby mohlo byacutet vyvažovaciacute očko zcela vynechaacuteno
Obr 310 Prototypy tuning blocků z novyacutech materiaacutelů
36 Vyacutestupniacute kontrola Před samotnou expediciacute detektoru je nutneacute proveacutest kontrolu detekce Kvalita detekce
je ověřovaacutena třemi typy kontaminantů neželeznyacute - NONFE (mosaz) železnyacute - FE (chromovaacute
ocel) a nerezovyacute - SS (ANSI 304) K tomu jsou určeny přiacutepravky na obr 311 a 312 Jednaacute
se o kuličky definovanyacutech průměrů ktereacute jsou zaliteacute v plastovyacutech tyčinkaacutech opatřenyacutech
rozměrovou specifikaciacute kontaminantu Barva tyček odlišuje použityacute typ kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
26
Obr 311 Testovaciacute vzorky pro dopravniacutekoveacute detektory
Obr 312 Testovaciacute vzorky pro farmaceutickeacute detektory
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
27
4 Optimalizace a stiacuten ěniacute detektoru Jedniacutem z bodů teacuteto praacutece je navrženiacute optimalizaciacute průmysloveacuteho detektoru kovu z
hlediska kvality detekce a vyšetřeniacute elektromagnetickeacuteho pole s ohledem na rušiveacute vlivy Z
počaacutetku byly provaacuteděny pokusy se stiacuteněniacutem ciacutevek s ohledem na rušeniacute vnějšiacutem
elektromagnetickyacutem polem Prvniacute uacutevahy vedly k použitiacute stiacuteniacuteciacuteho materiaacutelu s velkou
permeabilitou kteryacute by do sebe soustředil většiacute množstviacute indukčniacutech čar unikajiacuteciacutech do okoliacute
a tiacutem omezil vnějšiacute rušeniacute Na zaacutekladě teacuteto uacutevahy byly testovaacuteny dva materiaacutely FeNi47ln5
tloušťky 03 mm a FeNi42 tloušťky 04 mm ktereacute mohou dosahovat relativniacute permeability až
micror_12106 [5] Těmito pokusy se sice sniacutežilo množstviacute indukčniacutech čar magnetickeacuteho pole
unikajiacuteciacuteho z detektoru ale vlivem přiacuteliš velkeacute permeability bylo ovlivněno i pole uvnitř
detekčniacuteho prostoru kde došlo ke sniacuteženiacute citlivosti Tento naacutevrh měl dalšiacute negativniacute faktory
jako je vysokaacute cena použityacutech materiaacutelů a omezeneacute vyacuterobniacute možnosti nedostačujiacuteciacute šiacuteřkou
paacutesů což by vedlo ke sklaacutedaacuteniacute plechů vedle sebe a tiacutem ke vzniku nehomogenit
Aby byly optimalizace efektivniacute je třeba znaacutet rozloženiacute elektromagnetickeacuteho pole
uvnitř detektoru a vlivy ktereacute na něj působiacute Proto bylo přistoupeno k využitiacute počiacutetačoveacuteho
softwaru Ansys Jednaacute se o profesionaacutelniacute software založenyacute na metodě konečnyacutech prvků Je
určen předevšiacutem pro simulace mechanickeacuteho namaacutehaacuteniacute ale umožňuje i řešeniacute teplotniacutech
elektromagnetickyacutech a sdruženyacutech poliacute [6] Ansys byl vybraacuten předevšiacutem pro možnost řešeniacute i
3D probleacutemů V teacuteto praacuteci bylo z důvodů vyacutepočetniacute naacuteročnosti a velkeacuteho množstviacute
jednotlivyacutech vyacutepočtů přistoupeno k řešeniacute probleacutemu pouze ve dvourozměrneacutem prostoru V
tomto přiacutepadě je řešeno nestacionaacuterniacute magnetickeacute pole ktereacute popisuje rovnice (41) [7]
( ) extr JArotdt
dABArotrot =timesminus+
minus γυγmicro1
(41)
kde
BArot = (42)
A magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel
micro permeabilita
Br remanentniacute indukce
B magnetickaacute indukce
γ měrnaacute elektrickaacute vodivost
ν rychlost pohybu tělesa v magnetickeacutem poli
Jext vektor vnějšiacute proudoveacute hustoty
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
28
41 Vyšet řovaacuteniacute vlivu pozice Rx vinutiacute Nejprve byly provedeny simulace staacutevajiacuteciacuteho zařiacutezeniacute o rozměrech detekčniacuteho otvoru
150 mm x 350 mm Zaacutekladniacute geometrie probleacutemu je na obraacutezku 41 Pro řešeniacute zaacutekladniacuteho
probleacutemu by bylo možneacute použiacutet symetrii modelu pokud však model doplniacuteme o kontaminant
možnost teacuteto symetrie odpadaacute Byly provedeny tři seacuterie vyacutepočtů ktereacute se lišily materiaacutelem
kontaminantu Každaacute seacuterie se sklaacutedala z 24 samostatnyacutech vyacutepočtů ve kteryacutech se postupně
měnila pozice kontaminantu tak jako je tomu při skutečneacute situaci na dopravniacutem paacutesu
Použityacutem APDL skriptem by bylo možneacute řešit i průchody kontaminantu v různyacutech vyacuteškaacutech
detekčniacuteho otvoru Pro potřeby těchto vyacutepočtů byl průchod zvolen středem jelikož je zde
citlivost detektoru nejnižšiacute Nutno poukaacutezat na skutečnost že kontaminant reprezentovanyacute
kružniciacute v řezu detektoru nelze považovat za kulovyacute nyacutebrž za vodič kruhoveacuteho průřezu
stejneacute deacutelky jako Tx respektive Rx vinutiacute Rozmeziacute pohybu kontaminantu bylo od -230 mm
do 230 mm vůči Tx vinutiacute s krokem 20 mm Obdeacutelniacuteky v okoliacute Tx vinutiacute byly vytvořeny za
uacutečelem možnosti zjemněniacute vyacutepočetniacute siacutetě v prostoru Tx a Rx vinutiacute Na obraacutezku 41 nejsou
namodelovaacuteny Rx ciacutevky neboť hodnota naindukovaneacuteho napětiacute byla ziacuteskaacutevaacutena v pěti
různyacutech vyacuteškovyacutech poziciacutech a bylo hodnoceno indukovaneacute napětiacute Ui
Obr 41 Zaacutekladniacute geometrie
nerezovyacute kryt
vodiče Tx vinutiacute
kontaminant
obdeacutelniacuteky vzduchoveacuteho okoliacute s jemnějšiacute vyacutepočetniacute siacutetiacute střed souřadneacuteho
systeacutemu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
29
411 Preprocessing - p řiacuteprava skriptu Nejprve bylo nutneacute zjistit geometrickeacute rozměry a materiaacuteloveacute konstanty zkoumaneacuteho
detektoru Geometrickeacute rozměry byly ziacuteskaacuteny z databaacuteze Solidworks modelů společnosti
Loma Systems sro V kapitole 71 je uacuteryvek APDL skriptu pro tvorbu geometrie
Materiaacutely použiteacute v modelu jsou vzduch vodiče Tx vinutiacute nerezovyacute obal detektoru a
materiaacutely kontaminantů V raacutemci zjednodušeniacute modelu nebyly uvažovaacuteny PVC izolace Tx
vinutiacute samotneacute Tufneloveacute jaacutedro a materiaacutel s niacutemž je prostor mezi jaacutedrem a nerezovyacutem
krytem vyplněn neboť tyto materiaacutely vykazujiacute z pohledu šiacuteřeniacute elektromagnetickeacuteho pole
stejneacute vlastnosti jako vzduch Konkreacutetniacute hodnoty materiaacutelovyacutech konstant viz tabulka 41
odpor Tx vinutiacute nebyl uvažovaacuten neboť jeho plochy byly zatiacuteženy definovanou proudovou
hustotou tudiacutež neniacute možneacute uvažovat přiacutepadně naindukovaneacute viacuteřiveacute proudy Daacutele bylo nutneacute
zvolit a spraacutevně nastavit použiteacute elementy modelu
Tab 41 Materiaacuteloveacute vlastnosti
měrnaacute
permeabilita [-] měrnyacute elektrickyacute
odpor [Ωm]
vzduch 1 -
Tx vinutiacute 1 -
nerezovaacute ocel (ANSI 304 DIN 14301)
1008 [10] 72010-7
neželeznyacute kontaminant (mosaz)
1 75010-8
železnyacute kontaminant (chromovaacute ocel)
400 12010-7
nerezovyacute kontaminant (ANSI 304 DIN 14301) 1008 72010-7
Jako elementy daneacuteho modelu byly zvoleny elementy PLANE53 určeneacute pro řešeniacute
magnetickeacuteho pole Jednaacute se o osmi uzloveacute elementy ktereacute mohou miacutet až čtyři stupně
volnosti na uzel Stupně volnosti mohou byacutet magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel (AZ) časově
integrovanyacute elektrickyacute skalaacuterniacute potenciaacutel (VOLT) elektrickyacute proud (CURR) a
elektromotorickaacute siacutela (EMF) [6] Geometrie elementu na obr 42
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
30
Obr 42 Geometrie elementu PLANE53 [6]
Uacuteryvek koacutedu v kapitole 72 obsahuje definovaacuteniacute materiaacutelovyacutech vlastnostiacute definovaacuteniacute
elementů a jejich nastaveniacute V dalšiacute časti bylo nutneacute jednotliveacute materiaacutely a elementy přiřadit
danyacutem plochaacutem
Daacutele bylo zapotřebiacute nastavit atributy pro automatickeacute siacuteťovaacuteniacute oblasti Je nutneacute aby v
tenkyacutech a malyacutech plochaacutech byla vyššiacute hustota siacutetě než na velkyacutech plochaacutech kde postačuje siacuteť
řidšiacute Velmi důležitaacute je kompatibilita siacutetě proto byla v okoliacute Tx vodičů vytvořena
obdeacutelniacutekovaacute oblast s hustšiacute siacutetiacute viz uacuteryvek koacutedu v přiacuteloze 73
Obr 43 Detailniacute pohled na siacuteť elementů
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
31
V posledniacute čaacutesti preprocessingu byla definovaacutena Dirichletova okrajovaacute podmiacutenka
udaacutevajiacuteciacute magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel roven nule na vnějšiacute hrany vzduchoveacuteho okoliacute a
průběh budiacuteciacute proudoveacute hustoty v Tx vodičiacutech V horniacutem a dolniacutem vodiči měly toky opačnyacute
smysl proto bylo nutneacute vytvořit dva vektory hodnot J1 (obr 44) a mJ1 V posledniacute řadě bylo
provedeno přiřazeniacute průběhů k plochaacutem viz kapitola 74
Obr 44 Průběh proudoveacute hustoty v ploše Tx vodiče
Ansys byl do Solution modu přepnut přiacutekazem SOL kde se provedlo nastaveniacute
analyacutezy a byl spuštěn vyacutepočet viz kapitola 76
412 Postprocessing - ziacuteskaacutevaacuteniacute vyacutesledk ů Ciacutelem teacuteto čaacutesti bylo zjištěniacute průběhů naindukovanyacutech napětiacute Ui v zaacutevislosti na čase
pro různeacute vyacuteškoveacute pozice přijiacutemaciacutech ciacutevek Rx Pro indukovaneacute napětiacute platiacute vztah
( )Vndt
dU i sdotΦminus= (43)
kde
( )TdxBlx
x
Yint sdotsdot=Φ2
1
(44)
n počet zaacutevitů Rx vinutiacute
l deacutelka Rx vinutiacute ve směru osy Z
x1 a x2 šiacuteřka Rx vinutiacute ve směru osy X
BY složka magnetickeacute indukce v ose Y
Zadaacuteniacutem souřadnic dvou bodů se nadefinovala uacutesečka (cesta) na kterou byly s určityacutem
J (Am-2)
kroky vyacutepočtu (-)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
32
krokem zaznamenaacuteny hodnoty magnetickeacute indukce BY Průběh BY v zaacutevislosti na souřadnici X
je na obr 45
Obr 45 Průběh magnetickeacute indukce BY v zaacutevislosti na souřadnici X
Obr 46 Průběh magnetickeacuteho toku Φ v zaacutevislosti na souřadnici X
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
33
Integrovaacuteniacutem průběhu BY se ziacuteskal průběh magnetickeacuteho indukčniacuteho toku Φ obr 46
Magnetickyacute indukčniacute tok Φ je roven určiteacutemu integraacutelu (rovnice 44) průběhu BY obr 45 Z
toho vyplyacutevaacute že magnetickyacute indukčniacute tok je roven posledniacute hodnotě průběhu na obr 46
Tato hodnota se vynaacutesobila deacutelkou Rx vinutiacute Postup vyacutepočtu se opakoval pro všechny pozice
Rx vinutiacute a to v každeacutem kroku transientniacute analyacutezy Tiacutem se ziacuteskala zaacutevislost magnetickeacuteho
indukčniacuteho toku Φ na čase t V programu MS Excel se vynaacutesobil tok počtem zaacutevitů Rx vinutiacute
a byla provedena derivace podle času (rovnice 43) Takto byly zpracovaacuteny vyacutesledky pro
všechny pozice kontaminantu vůči Tx vinutiacute APDL skript pro ziacuteskaacutevaacuteniacute hodnot viz kapitola
76 a v kapitole 77 je vyacutepis makra ktereacute uklaacutedaacute hodnoty do souboru
413 Hodnoceniacute vyacutesledk ů Vypočteneacute hodnoty Ui ve všech pěti vyacuteškovyacutech poziciacutech hrx byly vyneseny do grafů v
zaacutevislosti na čase Pokud se vynesou do jednoho grafu průběhy indukovanyacutech napětiacute pro
každou pozici kontaminantu v daneacute vyacutešce lze sledovat odezvu indukovaneacuteho napětiacute na
polohu kontaminantu Jelikož byly provedeny tři seacuterie vyacutepočtů s různyacutemi kontaminanty lze
porovnat i tvary přijiacutemanyacutech signaacutelu pro jednotliveacute materiaacutely Ciacutelem teacuteto čaacutesti je porovnat
signaacutely ziacuteskaacutevaneacute v různyacutech vyacuteškovyacutech polohaacutech Rx vinutiacute a vybrat nejvhodnějšiacute signaacutel pro
detekci
Na naacutesledujiacuteciacutech grafech jsou znaacutezorněny napěťoveacute průběhy během jedneacute periody v
zaacutevislosti na poloze kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
34
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 47 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 48 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
35
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 49 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 410 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
36
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 411 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 5)
Na obraacutezciacutech 47 až 411 jsou zobrazeny průběhy odpoviacutedajiacuteciacute průchodu železneacuteho
kontaminantu s relativniacute permeablitou 400 a měrnyacutem elektrickyacutem odporem 10210-7 Ωm Na
průběziacutech 47 48 a 411 lze pozorovat sice nižšiacute hodnotu signaacutelu ale celkovaacute deformace
během průchodu kontaminantu je většiacute
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 412 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
37
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 413 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 414 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
38
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 415 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 416 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce5)
Na obraacutezciacutech 412 až 416 jsou zobrazeneacute průběhy odpoviacutedajiacuteciacute průchodu kontaminantu z
nerezu ANSI 304 s relativniacute permeablitou 1008 a měrnyacutem elektrickyacutem odporem 7210-7
Ωm Při porovnaacuteniacute s předchoziacutem kontaminantem je změna signaacutelu nižšiacute což odpoviacutedaacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
39
předpokladům o obtiacutežnějšiacute detekci nerezovyacutech kontaminantů
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 417 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 418 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
40
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 419 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 420 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
41
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 421 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 5)
Na obraacutezciacutech 417 až 421 jsou zobrazeny průběhy odpoviacutedajiacuteciacute neželezneacutemu
kontaminantu (mědi) s parametry relativniacute permeablita 1 a měrnyacute elektrickyacute odpor 7510-8
Ωm Průběh signaacutelu je velmi podobnyacute signaacutelům nerezoveacuteho kontaminantu
Porovnaacuteniacutem všech grafů (obr 47 - obr 422) je obecně vidět že u průběhů ve vyacutešce
3 a 4 je zisk signaacutelu pro všechny modelovaneacute kontaminanty největšiacute Dochaacuteziacute zde ale ke
změně amplitudy pouze v jednom smyslu což z hlediska vyhodnocovaciacutech algoritmů zlepšeniacute
detekce vylučuje Naproti tomu je u signaacutelu ve vyacutešce 5 znatelně vyššiacute amplituda než v
použiacutevaneacute vyacutešce 2 Na zaacutekladě tohoto zjištěniacute bude zhotoven prototyp detektoru za uacutečelem
ověřeniacute teoretickyacutech vyacutesledků
Na obraacutezku 422 je ukaacutezka grafickeacuteho vyacutestupu zobrazujiacuteciacuteho vektory proudoveacute
hustoty naindukovaneacute v nerezoveacutem krytu a v kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
42
Obr 422 Vektory proudovyacutech hustot naindukovanyacutech do kontaminantu a nerezoveacuteho krytu
Obraacutezek 423 zobrazuje kontury magnetickeacuteho pole ve stejneacutem časoveacutem kroku jako obr
422 Pole ktereacute je konturami zobrazeno je tvořeno praacutevě proudovou hustotou obr 422 Je
zde možneacute pozorovat jak se pole deformuje přiacutetomnyacutem kontaminantem
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
43
Obr 423 Kontury magnetickeacuteho vektoroveacuteho potenciaacutelu s viditelnou deformaciacute pole způsobenou
feromagnetickyacutem kontaminantem
42 Vyšet řovaacuteniacute množstviacute vyza řovaneacute energie V teacuteto čaacutesti se vychaacutezelo z předpokladu že intenzita elektromagnetickeacuteho pole uvnitř
detektoru je mnohem většiacute než elektromagnetickyacute šum kteryacute do detektoru vnikaacute z okoliacute
Proto lze předpoklaacutedat že rušeniacute bude způsobeno předevšiacutem deformaciacute vlastniacuteho
vyzařovaneacuteho pole v bliacutezkeacutem okoliacute detektoru To vede ke snaze snižovat množstviacute vlastniacuteho
vyzaacuteřeneacuteho pole ven z detektoru aby nemohlo byacutet deformovaacuteno okolniacutemi předměty
421 Řešeniacute probleacutemu Bylo porovnaacuteno pět variant detektorů bez průchodu kontaminantu Každaacute varianta se
řešila jedniacutem vyacutepočtem z čehož plyne malaacute časovaacute naacuteročnost a proto byly probleacutemy řešeny
bez využitiacute symetrie Prvniacute byl staacutevajiacuteciacute detektor o tloušťce kryciacuteho nerezoveacuteho plechu 3 mm
druhyacute byl stejneacute geometrie ale za použitiacute silnějšiacuteho 5 mm tlusteacuteho nerezu Třetiacute typ měl
tloušťku 3 mm ale na horniacute a dolniacute stěně bylo přidaacuteno dalšiacute stiacuteněniacute z nerezu ve tvaru T (obr
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
44
426) Posledniacute dva naacutevrhy měly pravouacutehlyacute tvar krytu celkově menšiacutech rozměrů z nichž jeden
byl jednoduchyacute o tloušťce 3 mm (obr 427) a druhyacute měl shora a zdola dvojiteacute dno z nerezu
tloušťky 3 mm (obr_428) Touto metodou by se dalo porovnaacutevat mnohem většiacute množstviacute
provedeniacute ktereacute by se mohly lišit i použityacutem materiaacutelem Vzduchoveacute okoliacute detektoru bylo
rozděleno na čtyři sektory v nichž se sečetly hodnoty magnetickeacute energie jednotlivyacutech
elementů v každeacutem kroku analyacutezy a tiacutem se ziacuteskal průběh množstviacute energie v daneacutem prostoru
na čase Objemovaacute hustota magnetickeacute energie byla zjišťovaacutena ve všech plochaacutech daneacute
geometrie a bylo možno sledovat jak se energie v čase přemisťuje
Obr 424 Geometrie varianty 3 mm
Obr 425 Geometrie varianty 5 mm
Obr 426 Geometrie varianty 3 mm-stineni
Obr 427 Geometrie varianty novy 1
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
45
Obr 428 Geometrie varianty novy 2
Přiacuteprava skriptů se od předchoziacutech vyacutepočtů lišila pouze v geometrii jinak byla
principiaacutelně stejnaacute Rozdiacutel byl však v čaacutesti post-processingu (ziacuteskaacutevaacuteniacute vyacutesledků) Aby bylo
možno přistupovat k jednotlivyacutem sektorům musel byacutet každyacute sektor definovaacuten vlastniacutem typem
elementů (elementy byly použity stejneacute jednaacute se pouze o čiacuteslovaacuteniacute) Byly použity osmkraacutet
elementy PLANE53
ET153 Tx vinuti ET253 prostor uvnitr detektoru ET353 nerezovy obal ET453 detekcni prostor ET553 vzduchove okoli - horni ET653 vzduchove okoli - pravy ET753 vzduchove okoli - dolni ET853 vzduchove okoli - levy
Přiacuteklad načiacutetaacuteniacute vyacutesledků pro jeden typ elementů
POST1 prepnutiacute do postprocesoru allsel oznaceni vsech elementu vytvoreni pole pro ukadani hodnot DIMenergie1TABLEkroku11timeE zapsani nulovych hodnot na zacatek vektoru vysledku energie1(00)=0 energie1(01)=0 cyklus ve kterem se nacitaji vysledky jednotlivych kroku simulace doi1kroku1 APPEND 1 i nacteni daneho kroku eseltype1 vybrani elementu typu 1 GET e_count1 ELEM count vraci mnozstvi elementu daneho typu GET e_next ELEM 0 NXTH vraci nejnizsi adresu elementu daneho typu v promenne e_next energ1=0 vynulovani promenne cyklus ktery postupne prochazi vsechy elementy daneho typu doj1e_count11 GET e_energ1 ELEM e_next SENE ulozi do promene e_energ1 mnozstvi energie v elementu s adresou e_next
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
46
GET e_next ELEM e_next NXTH posune adresu elementu o jedna energ1=energ1+e_energ1 pricte mnozstvi energie e_energ1 do kumulativni promnenne energ1 enddo konec vnitrniho cyklu energie1(i0)=i zapise do pole vysledku cislu jirju simulace energie1(i1)=energ1 zapise do pole vysledku mnozstvi energie v cele plose s elementy daneho typu enddo konec vnejsiho cyklu zapis_energ zavolani makra pro zapis vysledku do souboru
422 Hodnoceniacute vyacutesledk ů V jednotlivyacutech sektorech se provedla suma magnetickeacute energie pro každyacute krok
simulace Vyacutesledkem jsou průběhy množstviacute energie v daneacute ploše v zaacutevislosti na krociacutech
simulace (čase) Jednotliveacute varianty byly hodnoceny na zaacutekladě porovnaacuteniacute průběhů se
staacutevajiacuteciacutem detektorem
Energie v Tx vinutiacute
000E+00
100E-03
200E-03
300E-03
400E-03
500E-03
600E-03
700E-03
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 429 Energie v Tx vinutiacute
Na grafu (obr 429) je vidět že množstviacute energie v Tx vinutiacute neniacute zaacutevisleacute na geometrii a je
daacuteno budiacuteciacutem signaacutelem v Tx vinutiacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
47
Energie unit ř detektoru
000E+00
200E-02
400E-02
600E-02
800E-02
100E-01
120E-01
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 430 Energie uvnitř detektoru
Na obr 430 je znaacutezorněno množstviacute energie v prostoru detektoru do ktereacuteho neniacute
započiacutetaacutena detekčniacute oblast ta je zobrazena na obr 432 V teacuteto čaacutesti neniacute pozorovaacutena žaacutednaacute
vyacuteraznaacute změna
Energie v nerezoveacutem obalu
000E+00
500E-05
100E-04
150E-04
200E-04
250E-04
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 431 Energie v nerezoveacutem obalu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
48
Vyacuteraznějšiacute změny se odehraacutevajiacute v nerezoveacutem obalu Nejmenšiacute množstviacute energie je v klasickeacute
3 mm tlusteacute a v 5 mm tlusteacute variantě U klasickeacute varianty se stiacuteněniacutem a u novyacutech naacutevrhů je
naacuterůst způsoben přibliacuteženiacutem nerezu k Tx vinutiacute
Energie v prostoru detek čniacuteho otvoru
000E+00
500E-03
100E-02
150E-02
200E-02
250E-02
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 432 Energie v prostoru detekčniacuteho otvoru
V oblasti detekčniacuteho otvoru je snaha o uchovaacuteniacute co největšiacuteho množstviacute energie neboť
zmenšeniacute energie vede ke sniacuteženiacute odezvy na kontaminant tedy ke sniacuteženiacute citlivosti detektoru
Z obr 432 je patrneacute že geometrickeacute uacutepravy detektoru (3 mm se stiacuteněniacutem novy 1 a novy 2)
vedou ke sniacuteženiacute množstviacute energie v tomto prostoru
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
49
Energie v horniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
100E-07
200E-07
300E-07
400E-07
500E-07
600E-07
700E-07
800E-07
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 433 Energie v horniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Energie v dolniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
100E-07
200E-07
300E-07
400E-07
500E-07
600E-07
700E-07
800E-07
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 434 Energie v dolniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Porovnajiacute-li se obr 433 a 434 je u variant 1 - 3 možneacute pozorovat rozdiacutely mezi horniacute a dolniacute
plochou Je zde na prvniacute pohled vidět jak horniacute oblouk snižuje množstviacute energie unikajiacuteciacute do
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
50
okoliacute Jako uacutečinneacute se z pohledu těchto sektorů jeviacute varianta klasickeacuteho detektoru se stiacuteněniacutem a
novyacute naacutevrh s dvojityacutemi stěnami
Energie v praveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
500E-06
100E-05
150E-05
200E-05
250E-05
300E-05
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 435 Energie v praveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Energie v leveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
500E-06
100E-05
150E-05
200E-05
250E-05
300E-05
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 436 Energie v leveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
51
Pravyacute a levyacute sektor je z důvodů symetrie stejnyacute na obrazciacutech 435 a 436 lze pozorovat tzv
metal free zoacutenu kteraacute se u detektorů udaacutevaacute Jednaacute se o prostor před a za detekčniacutem otvorem
ve ktereacutem se nesmiacute nachaacutezet žaacutednyacute kovovyacute materiaacutel (z důvodu ovlivňovaacuteniacute pole) snahou je
tuto zoacutenu co nejviacutece zmenšit Z grafů je patrneacute že novyacute naacutevrh s dvojityacutemi stěnami vykazuje
nejmenšiacute množstviacute energie v teacuteto oblasti Naopak u klasickeacute varianty se stiacuteněniacutem došlo k
vytlačeniacute pole z vnitřku detektoru praacutevě do těchto okolniacutech zoacuten
Na zaacutekladě těchto poznatků bude provedeno ověřeniacute na skutečnyacutech zařiacutezeniacutech Mezi
použitelneacute varianty připadaacute klasickaacute konstrukce doplněnaacute o stiacuteněniacute a novyacute naacutevrh s dvojityacutemi
stěnami U toho je však velkaacute hrozba sniacuteženiacute citlivosti způsobeneacute menšiacutem množstviacutem energie
v detekčniacutem prostoru
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
52
5 Zaacutevěr Ciacutelem předklaacutedaneacute praacutece je zlepšeniacute činnosti detektorů kovů přiacutepadně uacuteprava
technologie vyacuteroby při současneacutem sniacuteženiacute vyacuterobniacutech naacutekladů Předpokladem uacutespěšnyacutech
naacutevrhů byla podrobnaacute studie činnosti a principu těchto zařiacutezeniacute kteraacute jsou vyacuterobcem po
několik let uacutespěšně prodaacutevaacutena na světovyacutech trziacutech
Na zaacutekladě těchto požadavků byly provedeny některeacute testy ktereacute měly ověřit
předpoklaacutedanaacute zlepšeniacute Nejširšiacute možnosti přinaacutešiacute modelovaacuteniacute magnetickeacuteho pole
průmyslovyacutech detektorů počiacutetačovou simulaciacute kteraacute je zatiacutem schopna řešit zadaneacute probleacutemy
v dvourozměrneacutem prostoru Nejčastěji řešeneacute probleacutemy jsou staacutele spojeny se zaacutekladniacutem
principem činnosti těchto zařiacutezeniacute tj vlivem a působeniacutem kontaminantu na
elektromagnetickeacute pole buzeneacute ciacutevkami uvnitř detektoru a nepřiacuteznivyacute vliv vnějšiacutech rušivyacutech
poliacute např při současneacute činnosti sousedniacutech detektorů Dalšiacutem zdrojem rušivyacutech magnetickyacutech
poliacute může byacutet i činnost a přiacutetomnost různyacutech elektrickyacutech zařiacutezeniacute probleacutem spojenyacute s
vhodnyacutem materiaacutelem a tvarem stiacuteněniacute těchto zařiacutezeniacute
Vzhledem k maximaacutelniacute citlivosti elektronickyacutech obvodů a požadovaneacute pečlivosti při
balancovaacuteniacute (vyvažovaacuteniacute) se vyskytuje probleacutem kteryacute souvisiacute se staacutelostiacute nastaveniacute detektoru
při mechanickeacutem otřesu přiacutepadně odstraněniacute změn ke kteryacutem dochaacuteziacute vlivem dopravy
Dalšiacutem plaacutenovanyacutem krokem je namodelovaacuteniacute probleacutemu v trojrozměrneacutem prostoru od
ktereacuteho je očekaacutevaacuteno zohledněniacute dalšiacutech vlivů a tiacutem zpřesněniacute samotneacuteho vyacutesledku
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
53
6 Použitaacute literatura [1] Internetoveacute straacutenky společnosti Loma Systems sro
httpwwwlomacom_czindexshtml
[2] Haacutejek J Jarchovskyacute Z Detektory kovů - naacutevod na stavbu nakladatelstviacute BEN Praha
2010
[3] Beneda L Detektory kovů bakalaacuteřskaacute praacutece ZČU Plzeň 2010
[4] Internetoveacute straacutenky společnosti Ad controls sro
httpwwwadcontrolsczdetektory_kovu_zakladni_pojmy
[5] KOVOHUTĚ ROKYCANY as COMTES FHT as MATEX sro Průběžnaacute
zpraacuteva k projektu FeNi - čj 1021207 - 32 za rok (2007 - 2009)
[6] Ansys Inc ANSYS HELP Release 130 Dokumentace k programu
[7] Karban P a kolektiv autorů Aplikace teoretickeacute elektrotechniky Skripta ZČU Plzeň
2011
[8] Benešovaacute Z Ulrych B Přiacuteručka pro použitiacute programů ve vyacuteuce teorie
elektromagnetickeacuteho pole Skripta ZČU Plzeň 1997
[9] Loma Systems sro Knowledge Base - Interniacute dokumentace společnosti
[10] Internetoveacute straacutenky společnosti Aerospace specification metals Inc
httpasmmatwebcomsearchSpecificMaterialaspbassnum=MQ304A
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
1
7 Přiacutelohy
71 Tvorba geometrie PREP7 prepnuti do rezimu preprocesingu jj=8 index polohy kontaminantu r1=05e-3 polomer Tx vodice 05 mm r2=15e-3 polomer kontaminantu 15 mm c=90e-3 sirka Rx civek h=1767e-3 vzdalenost mezi Tx vinutim hrx=(h2)+526e-3 zakladni vyskova poloha mezi Rx civkami hss=175e-3 vyska nerezoveho krytu wss=150e-3 sirka nerezoveho krytu tss=3e-3 tloustka nerezove steny hd=h-227e-3 vyska detekcniho otvoru wok=1000e-3 sirka vzduchoveho okoli hok=1000e-3 vyska vzduchoveho okoli wkon=(-250e-3)+(jj20e-3) poloha kontaminantu na ose X tvorba geometrickych bodu nerezoveho krytu K1022589e-30 K2022185e-30 K3-7907e-321208e-30 K4-78e-32085e-30 K57907e-321208e-30 K678e-32085e-30 K7-wsshss0 K8-wss+tsshss-tss0 K9wsshss0 K10wss-tsshss-tss0 K11-wss-hss0 K12-wss+tss-hss+tss0 K13wss-hss0 K14wss-tss-hss+tss0 vytvoreni ploch definovanymi body FLST273 FITEM27 FITEM23 FITEM21 FITEM25 FITEM29 FITEM213 FITEM211 AP51X FLST273 FITEM28 FITEM24 FITEM22 FITEM26 FITEM210 FITEM214 FITEM212 AP51X CYL40h2r1 plocha horniho Tx vodice CYL40-h2r1 ploch dolniho Tx vodice BLC50((h2)+hrx)2100e-310e-3 plocha horniho vzduchoveho okoli Tx vodice BLC50-((h2)+hrx)2100e-310e-3 plocha dolniho vzduchoveho okoli Tx vodice BLC5002wsshd plocha detekcniho ootvoru APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch odstraneni ploch ktere budou sjednoceny se vzduchovym okolim
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
2
FLST255ORDE4 FITEM210 FITEM2-12 FITEM215 FITEM218 ADELEP51X BLC500wokhok vytvoreni plochy vzduchoveho okoli APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch CYL4wkon0r2 vytvoreni plochy kontaminantu APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch konec tvorby geometrickeho modelu
72 Definice element ů materiaacutel ů a jejich p řiřazeniacute k plochaacutem definovani materialu MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX11 material 1 Tx permeabilita 1 MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX21 material 2 Air permeabilita 1 MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX31008 material 3 nerezovy kryt SS ANSI 304 permeabilita MPTEMP MPTEMP10 MPDATARSVX372e-7 material 3 nerezoovy kryt SS Ansi 304 rezistivita MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX4400 material 4 Kontaminant permeabilita MPTEMP MPTEMP10 MPDATARSVX4102e-7 material 4 Kontaminant rezistivita definovani elementu ET153 Tx civky ET253 Vzduch ET353 nerezovy kryt ET453 kontaminant nastaveni elementu KEYOPT110 Tx civky KEYOPT120 KEYOPT130 KEYOPT140 KEYOPT150 KEYOPT170 KEYOPT210 Air KEYOPT220 KEYOPT230 KEYOPT240 KEYOPT250 KEYOPT270 KEYOPT310 SS KEYOPT320 KEYOPT330 KEYOPT340 KEYOPT350
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
3
KEYOPT370 KEYOPT410 kontaminant KEYOPT420 KEYOPT430 KEYOPT440 KEYOPT450 KEYOPT470 prirazeni elementu a materialum k plocham FLST525ORDE2 Tx FITEM58 FITEM5-9 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 1 1 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 FLST535ORDE3 Air FITEM53 FITEM516 FITEM5-17 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 2 2 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 FLST525ORDE2 SS FITEM513 FITEM5-14 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 3 3 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 CM_YAREA kontaminant ASEL 1 CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 4 4 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
4
73 Siacuteťovaacuteniacute oblastiacute FLST275ORDE7 FITEM21 FITEM28 FITEM2-9 FITEM213 FITEM2-14 FITEM216 FITEM2-17 AESIZEP51X00005 nastaveni delky steny elementu 00005 m FLST215ORDE1 FITEM23 AESIZEP51X001 nastaveni delky steny elementu 001 m MSHAPE12D nastaveni 2D trojuhelnikove site MSHKEY0 FLST585ORDE8 FITEM51 FITEM53 FITEM58 FITEM5-9 FITEM513 FITEM5-14 FITEM516 FITEM5-17 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CHKMSHAREA CMSELS_Y AMESH_Y1 spusteni automatickeho sitovani CMDELE_Y CMDELE_Y1 CMDELE_Y2
74 Okrajovaacute podmiacutenka a nastaveniacute budiciacuteho pr ůběhu okrajova podminka FLST244ORDE4 FITEM214 FITEM212 FITEM27 FITEM25 DLP51X AZ0 nastaveni zatizeni parametry budici proudove hustoty f=35e3 frekvence signalu [Hz] part=600 pocet kroku signalu T_min=0 pocatek casove osy T_max=1f konec casove osy dt=T_maxpart casovy krok parametry prudove hustoty pi=4atan(1) s=pir12 I=600sqrt(2) N1=1 J1_a=IN1s definovani vzestupne casti pulsu tau=3 DIMJexTABLE5011timeJ Jex(11)=0
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
5
Jex(10)=0 doi2501 Jex(i1)=(J1_a)(1-exp(-itau)) Jex(i0)=(i) enddo definovani sestupne casti pulsu tau=3 DIMJex1TABLE5011timeJ Jex1(11)=J1_a Jex1(10)=0 doi2501 Jex1(i1)=(J1_a)(exp(-itau)) Jex1(i0)=(i) enddo sestaveni celeho pulsu DIMJex2TABLE10011timeJ Jex2(11)=0 Jex2(10)=0 doi2501 Jex2(i1)=Jex(i1) Jex2(i0)=(i) enddo doi511001 Jex2(i1)=Jex1(i-501) Jex2(i0)=(i) enddo priprava nulovych vektoru kladneho a zaporneho prubehu J DIMJ1TABLE60011timeJ DIMmJ1TABLE60011timeJ doi16001 J1(i0)=(i-1)dt time J1(i1)=0 J mJ1(i0)=(i-1)dt time mJ1(i1)=0 -J enddo vlozeni prvniho pulsu doi11001 J1(i1)=Jex2(i1) mJ1(i1)=-Jex2(i1) enddo vlozeni druheho pulsu doi3004001 J1(i1)=-Jex2(i-3001) mJ1(i1)=Jex2(i-3001) enddo prirazeni prubehu k plocham PREP7 FLST215ORDE1 FITEM28 BFAP51XJSJ1 FLST215ORDE1 FITEM29 BFAP51XJSmJ1
75 Nastaveniacute analyacutezy SOL prepnuti do Solution modu - nastaveni analyzy kroku=300 pocet kroku simulace ANTYPE4 TRNOPTFULL
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
6
NSUBSTkroku00 OUTRESERASE OUTRESALL1 TIMET_max solve spusti vypocet ulohy
76 Postprocessing POST1 prepne do Preprocesing modu krokyb=200 pocet kroku na delku coilgapu L=03 delka Rx snimace hrx1=(h2)+10e-3 jednotlive vyskove pozice Rx vinuti hrx2=(h2)+526e-3 hrx3=(h2) hrx4=((h2)-526e-3) hrx5=((h2)-10e-3) vytvoreni pole hodnot - 10 sloupcu x 300 radku sloupce odpovidaji poctu jednotlivych civek 2x5 (5 poloh horni a dolni civka) DIMTOKTABLEkroku101SUBSTEP TOK(00)=0 TOK(01)=0 TOK(02)=0 TOK(03)=0 TOK(04)=0 TOK(05)=0 TOK(06)=0 TOK(07)=0 TOK(08)=0 TOK(09)=0 TOK(010)=0 dok1kroku1 hlavni cyklus pocet cyklu odpovida poctu kroku analyzy APPEND 1 k nacteni k-teho kroku analyzy tato cast kodu je nutna pro kazdou civku zvlast (10x se opakuje) PATHHORNI26krokyb-1 definovani cesty horni civky PPATH10-c2hrx10 levy koncovy bod PPATH20c2hrx10 pravy koncovy bod PDEF BYAVG namapovani Y-slozky magneticke indukce B PCALCINTGINT_HORBYXGL vypocet integralu z By podle dX PBCPATH 0 PAGETHORNI1_TABL ulozeni hodnot ziskanych na definovane ceste do pole HORNI1_ PADELALL smazani cesty i s hodnotamy (pole HORNI1_ zustava) konec opakujici se casti prirazovani posledni hodnoty integralu do prislusneho pole vysledku TOK(k0)=k casova osa TOK(k1)=HORNI1_(krokyb6) TOK(k2)=DOLNI1_(krokyb6) TOK(k3)=HORNI2_(krokyb6) TOK(k4)=DOLNI2_(krokyb6) TOK(k5)=HORNI3_(krokyb6) TOK(k6)=DOLNI3_(krokyb6) TOK(k7)=HORNI4_(krokyb6) TOK(k8)=DOLNI4_(krokyb6) TOK(k9)=HORNI5_(krokyb6) TOK(k10)=DOLNI5_(krokyb6) DELPRM_ smaze vsechny pole vysledku koncici znakem _ enddo konec cyklu zapis_tok odkaz na skript pro zapsani pole vysledku do souboru txt
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
7
77 Makro Vyacutepis makra ktereacute uklaacutedaacute hodnoty do souboru tok_fitxt
MWRITETOK(111)tok_fitxt vytvori soubor tok_fitxt a ulozi do
nej matici vysletku TOK
(10E135) urcuje format zapisu hodnot - 10
sloupcu cisel o celkove delce 13ti
znaku z toho 5 za desetinou teckou
CFCLOS uzavre soubor
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
8
Eviden čniacute list
Souhlasiacutem s tiacutem aby moje bakalaacuteřskaacute praacutece byla půjčovaacutena k prezenčniacutemu studiu v
Univerzitniacute knihově ZČU v Plzni
Datum Podpis
Uživatel stvrzuje svyacutem čitelnyacutem podpisem že tuto bakalaacuteřskou praacuteci použil ke studijniacutem
uacutečelům a prohlašuje že ji uvede mezi použityacutemi prameny
Jmeacuteno Fakultakatedra Datum Podpis
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
26
Obr 311 Testovaciacute vzorky pro dopravniacutekoveacute detektory
Obr 312 Testovaciacute vzorky pro farmaceutickeacute detektory
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
27
4 Optimalizace a stiacuten ěniacute detektoru Jedniacutem z bodů teacuteto praacutece je navrženiacute optimalizaciacute průmysloveacuteho detektoru kovu z
hlediska kvality detekce a vyšetřeniacute elektromagnetickeacuteho pole s ohledem na rušiveacute vlivy Z
počaacutetku byly provaacuteděny pokusy se stiacuteněniacutem ciacutevek s ohledem na rušeniacute vnějšiacutem
elektromagnetickyacutem polem Prvniacute uacutevahy vedly k použitiacute stiacuteniacuteciacuteho materiaacutelu s velkou
permeabilitou kteryacute by do sebe soustředil většiacute množstviacute indukčniacutech čar unikajiacuteciacutech do okoliacute
a tiacutem omezil vnějšiacute rušeniacute Na zaacutekladě teacuteto uacutevahy byly testovaacuteny dva materiaacutely FeNi47ln5
tloušťky 03 mm a FeNi42 tloušťky 04 mm ktereacute mohou dosahovat relativniacute permeability až
micror_12106 [5] Těmito pokusy se sice sniacutežilo množstviacute indukčniacutech čar magnetickeacuteho pole
unikajiacuteciacuteho z detektoru ale vlivem přiacuteliš velkeacute permeability bylo ovlivněno i pole uvnitř
detekčniacuteho prostoru kde došlo ke sniacuteženiacute citlivosti Tento naacutevrh měl dalšiacute negativniacute faktory
jako je vysokaacute cena použityacutech materiaacutelů a omezeneacute vyacuterobniacute možnosti nedostačujiacuteciacute šiacuteřkou
paacutesů což by vedlo ke sklaacutedaacuteniacute plechů vedle sebe a tiacutem ke vzniku nehomogenit
Aby byly optimalizace efektivniacute je třeba znaacutet rozloženiacute elektromagnetickeacuteho pole
uvnitř detektoru a vlivy ktereacute na něj působiacute Proto bylo přistoupeno k využitiacute počiacutetačoveacuteho
softwaru Ansys Jednaacute se o profesionaacutelniacute software založenyacute na metodě konečnyacutech prvků Je
určen předevšiacutem pro simulace mechanickeacuteho namaacutehaacuteniacute ale umožňuje i řešeniacute teplotniacutech
elektromagnetickyacutech a sdruženyacutech poliacute [6] Ansys byl vybraacuten předevšiacutem pro možnost řešeniacute i
3D probleacutemů V teacuteto praacuteci bylo z důvodů vyacutepočetniacute naacuteročnosti a velkeacuteho množstviacute
jednotlivyacutech vyacutepočtů přistoupeno k řešeniacute probleacutemu pouze ve dvourozměrneacutem prostoru V
tomto přiacutepadě je řešeno nestacionaacuterniacute magnetickeacute pole ktereacute popisuje rovnice (41) [7]
( ) extr JArotdt
dABArotrot =timesminus+
minus γυγmicro1
(41)
kde
BArot = (42)
A magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel
micro permeabilita
Br remanentniacute indukce
B magnetickaacute indukce
γ měrnaacute elektrickaacute vodivost
ν rychlost pohybu tělesa v magnetickeacutem poli
Jext vektor vnějšiacute proudoveacute hustoty
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
28
41 Vyšet řovaacuteniacute vlivu pozice Rx vinutiacute Nejprve byly provedeny simulace staacutevajiacuteciacuteho zařiacutezeniacute o rozměrech detekčniacuteho otvoru
150 mm x 350 mm Zaacutekladniacute geometrie probleacutemu je na obraacutezku 41 Pro řešeniacute zaacutekladniacuteho
probleacutemu by bylo možneacute použiacutet symetrii modelu pokud však model doplniacuteme o kontaminant
možnost teacuteto symetrie odpadaacute Byly provedeny tři seacuterie vyacutepočtů ktereacute se lišily materiaacutelem
kontaminantu Každaacute seacuterie se sklaacutedala z 24 samostatnyacutech vyacutepočtů ve kteryacutech se postupně
měnila pozice kontaminantu tak jako je tomu při skutečneacute situaci na dopravniacutem paacutesu
Použityacutem APDL skriptem by bylo možneacute řešit i průchody kontaminantu v různyacutech vyacuteškaacutech
detekčniacuteho otvoru Pro potřeby těchto vyacutepočtů byl průchod zvolen středem jelikož je zde
citlivost detektoru nejnižšiacute Nutno poukaacutezat na skutečnost že kontaminant reprezentovanyacute
kružniciacute v řezu detektoru nelze považovat za kulovyacute nyacutebrž za vodič kruhoveacuteho průřezu
stejneacute deacutelky jako Tx respektive Rx vinutiacute Rozmeziacute pohybu kontaminantu bylo od -230 mm
do 230 mm vůči Tx vinutiacute s krokem 20 mm Obdeacutelniacuteky v okoliacute Tx vinutiacute byly vytvořeny za
uacutečelem možnosti zjemněniacute vyacutepočetniacute siacutetě v prostoru Tx a Rx vinutiacute Na obraacutezku 41 nejsou
namodelovaacuteny Rx ciacutevky neboť hodnota naindukovaneacuteho napětiacute byla ziacuteskaacutevaacutena v pěti
různyacutech vyacuteškovyacutech poziciacutech a bylo hodnoceno indukovaneacute napětiacute Ui
Obr 41 Zaacutekladniacute geometrie
nerezovyacute kryt
vodiče Tx vinutiacute
kontaminant
obdeacutelniacuteky vzduchoveacuteho okoliacute s jemnějšiacute vyacutepočetniacute siacutetiacute střed souřadneacuteho
systeacutemu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
29
411 Preprocessing - p řiacuteprava skriptu Nejprve bylo nutneacute zjistit geometrickeacute rozměry a materiaacuteloveacute konstanty zkoumaneacuteho
detektoru Geometrickeacute rozměry byly ziacuteskaacuteny z databaacuteze Solidworks modelů společnosti
Loma Systems sro V kapitole 71 je uacuteryvek APDL skriptu pro tvorbu geometrie
Materiaacutely použiteacute v modelu jsou vzduch vodiče Tx vinutiacute nerezovyacute obal detektoru a
materiaacutely kontaminantů V raacutemci zjednodušeniacute modelu nebyly uvažovaacuteny PVC izolace Tx
vinutiacute samotneacute Tufneloveacute jaacutedro a materiaacutel s niacutemž je prostor mezi jaacutedrem a nerezovyacutem
krytem vyplněn neboť tyto materiaacutely vykazujiacute z pohledu šiacuteřeniacute elektromagnetickeacuteho pole
stejneacute vlastnosti jako vzduch Konkreacutetniacute hodnoty materiaacutelovyacutech konstant viz tabulka 41
odpor Tx vinutiacute nebyl uvažovaacuten neboť jeho plochy byly zatiacuteženy definovanou proudovou
hustotou tudiacutež neniacute možneacute uvažovat přiacutepadně naindukovaneacute viacuteřiveacute proudy Daacutele bylo nutneacute
zvolit a spraacutevně nastavit použiteacute elementy modelu
Tab 41 Materiaacuteloveacute vlastnosti
měrnaacute
permeabilita [-] měrnyacute elektrickyacute
odpor [Ωm]
vzduch 1 -
Tx vinutiacute 1 -
nerezovaacute ocel (ANSI 304 DIN 14301)
1008 [10] 72010-7
neželeznyacute kontaminant (mosaz)
1 75010-8
železnyacute kontaminant (chromovaacute ocel)
400 12010-7
nerezovyacute kontaminant (ANSI 304 DIN 14301) 1008 72010-7
Jako elementy daneacuteho modelu byly zvoleny elementy PLANE53 určeneacute pro řešeniacute
magnetickeacuteho pole Jednaacute se o osmi uzloveacute elementy ktereacute mohou miacutet až čtyři stupně
volnosti na uzel Stupně volnosti mohou byacutet magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel (AZ) časově
integrovanyacute elektrickyacute skalaacuterniacute potenciaacutel (VOLT) elektrickyacute proud (CURR) a
elektromotorickaacute siacutela (EMF) [6] Geometrie elementu na obr 42
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
30
Obr 42 Geometrie elementu PLANE53 [6]
Uacuteryvek koacutedu v kapitole 72 obsahuje definovaacuteniacute materiaacutelovyacutech vlastnostiacute definovaacuteniacute
elementů a jejich nastaveniacute V dalšiacute časti bylo nutneacute jednotliveacute materiaacutely a elementy přiřadit
danyacutem plochaacutem
Daacutele bylo zapotřebiacute nastavit atributy pro automatickeacute siacuteťovaacuteniacute oblasti Je nutneacute aby v
tenkyacutech a malyacutech plochaacutech byla vyššiacute hustota siacutetě než na velkyacutech plochaacutech kde postačuje siacuteť
řidšiacute Velmi důležitaacute je kompatibilita siacutetě proto byla v okoliacute Tx vodičů vytvořena
obdeacutelniacutekovaacute oblast s hustšiacute siacutetiacute viz uacuteryvek koacutedu v přiacuteloze 73
Obr 43 Detailniacute pohled na siacuteť elementů
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
31
V posledniacute čaacutesti preprocessingu byla definovaacutena Dirichletova okrajovaacute podmiacutenka
udaacutevajiacuteciacute magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel roven nule na vnějšiacute hrany vzduchoveacuteho okoliacute a
průběh budiacuteciacute proudoveacute hustoty v Tx vodičiacutech V horniacutem a dolniacutem vodiči měly toky opačnyacute
smysl proto bylo nutneacute vytvořit dva vektory hodnot J1 (obr 44) a mJ1 V posledniacute řadě bylo
provedeno přiřazeniacute průběhů k plochaacutem viz kapitola 74
Obr 44 Průběh proudoveacute hustoty v ploše Tx vodiče
Ansys byl do Solution modu přepnut přiacutekazem SOL kde se provedlo nastaveniacute
analyacutezy a byl spuštěn vyacutepočet viz kapitola 76
412 Postprocessing - ziacuteskaacutevaacuteniacute vyacutesledk ů Ciacutelem teacuteto čaacutesti bylo zjištěniacute průběhů naindukovanyacutech napětiacute Ui v zaacutevislosti na čase
pro různeacute vyacuteškoveacute pozice přijiacutemaciacutech ciacutevek Rx Pro indukovaneacute napětiacute platiacute vztah
( )Vndt
dU i sdotΦminus= (43)
kde
( )TdxBlx
x
Yint sdotsdot=Φ2
1
(44)
n počet zaacutevitů Rx vinutiacute
l deacutelka Rx vinutiacute ve směru osy Z
x1 a x2 šiacuteřka Rx vinutiacute ve směru osy X
BY složka magnetickeacute indukce v ose Y
Zadaacuteniacutem souřadnic dvou bodů se nadefinovala uacutesečka (cesta) na kterou byly s určityacutem
J (Am-2)
kroky vyacutepočtu (-)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
32
krokem zaznamenaacuteny hodnoty magnetickeacute indukce BY Průběh BY v zaacutevislosti na souřadnici X
je na obr 45
Obr 45 Průběh magnetickeacute indukce BY v zaacutevislosti na souřadnici X
Obr 46 Průběh magnetickeacuteho toku Φ v zaacutevislosti na souřadnici X
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
33
Integrovaacuteniacutem průběhu BY se ziacuteskal průběh magnetickeacuteho indukčniacuteho toku Φ obr 46
Magnetickyacute indukčniacute tok Φ je roven určiteacutemu integraacutelu (rovnice 44) průběhu BY obr 45 Z
toho vyplyacutevaacute že magnetickyacute indukčniacute tok je roven posledniacute hodnotě průběhu na obr 46
Tato hodnota se vynaacutesobila deacutelkou Rx vinutiacute Postup vyacutepočtu se opakoval pro všechny pozice
Rx vinutiacute a to v každeacutem kroku transientniacute analyacutezy Tiacutem se ziacuteskala zaacutevislost magnetickeacuteho
indukčniacuteho toku Φ na čase t V programu MS Excel se vynaacutesobil tok počtem zaacutevitů Rx vinutiacute
a byla provedena derivace podle času (rovnice 43) Takto byly zpracovaacuteny vyacutesledky pro
všechny pozice kontaminantu vůči Tx vinutiacute APDL skript pro ziacuteskaacutevaacuteniacute hodnot viz kapitola
76 a v kapitole 77 je vyacutepis makra ktereacute uklaacutedaacute hodnoty do souboru
413 Hodnoceniacute vyacutesledk ů Vypočteneacute hodnoty Ui ve všech pěti vyacuteškovyacutech poziciacutech hrx byly vyneseny do grafů v
zaacutevislosti na čase Pokud se vynesou do jednoho grafu průběhy indukovanyacutech napětiacute pro
každou pozici kontaminantu v daneacute vyacutešce lze sledovat odezvu indukovaneacuteho napětiacute na
polohu kontaminantu Jelikož byly provedeny tři seacuterie vyacutepočtů s různyacutemi kontaminanty lze
porovnat i tvary přijiacutemanyacutech signaacutelu pro jednotliveacute materiaacutely Ciacutelem teacuteto čaacutesti je porovnat
signaacutely ziacuteskaacutevaneacute v různyacutech vyacuteškovyacutech polohaacutech Rx vinutiacute a vybrat nejvhodnějšiacute signaacutel pro
detekci
Na naacutesledujiacuteciacutech grafech jsou znaacutezorněny napěťoveacute průběhy během jedneacute periody v
zaacutevislosti na poloze kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
34
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 47 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 48 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
35
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 49 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 410 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
36
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 411 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 5)
Na obraacutezciacutech 47 až 411 jsou zobrazeny průběhy odpoviacutedajiacuteciacute průchodu železneacuteho
kontaminantu s relativniacute permeablitou 400 a měrnyacutem elektrickyacutem odporem 10210-7 Ωm Na
průběziacutech 47 48 a 411 lze pozorovat sice nižšiacute hodnotu signaacutelu ale celkovaacute deformace
během průchodu kontaminantu je většiacute
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 412 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
37
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 413 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 414 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
38
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 415 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 416 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce5)
Na obraacutezciacutech 412 až 416 jsou zobrazeneacute průběhy odpoviacutedajiacuteciacute průchodu kontaminantu z
nerezu ANSI 304 s relativniacute permeablitou 1008 a měrnyacutem elektrickyacutem odporem 7210-7
Ωm Při porovnaacuteniacute s předchoziacutem kontaminantem je změna signaacutelu nižšiacute což odpoviacutedaacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
39
předpokladům o obtiacutežnějšiacute detekci nerezovyacutech kontaminantů
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 417 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 418 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
40
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 419 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 420 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
41
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 421 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 5)
Na obraacutezciacutech 417 až 421 jsou zobrazeny průběhy odpoviacutedajiacuteciacute neželezneacutemu
kontaminantu (mědi) s parametry relativniacute permeablita 1 a měrnyacute elektrickyacute odpor 7510-8
Ωm Průběh signaacutelu je velmi podobnyacute signaacutelům nerezoveacuteho kontaminantu
Porovnaacuteniacutem všech grafů (obr 47 - obr 422) je obecně vidět že u průběhů ve vyacutešce
3 a 4 je zisk signaacutelu pro všechny modelovaneacute kontaminanty největšiacute Dochaacuteziacute zde ale ke
změně amplitudy pouze v jednom smyslu což z hlediska vyhodnocovaciacutech algoritmů zlepšeniacute
detekce vylučuje Naproti tomu je u signaacutelu ve vyacutešce 5 znatelně vyššiacute amplituda než v
použiacutevaneacute vyacutešce 2 Na zaacutekladě tohoto zjištěniacute bude zhotoven prototyp detektoru za uacutečelem
ověřeniacute teoretickyacutech vyacutesledků
Na obraacutezku 422 je ukaacutezka grafickeacuteho vyacutestupu zobrazujiacuteciacuteho vektory proudoveacute
hustoty naindukovaneacute v nerezoveacutem krytu a v kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
42
Obr 422 Vektory proudovyacutech hustot naindukovanyacutech do kontaminantu a nerezoveacuteho krytu
Obraacutezek 423 zobrazuje kontury magnetickeacuteho pole ve stejneacutem časoveacutem kroku jako obr
422 Pole ktereacute je konturami zobrazeno je tvořeno praacutevě proudovou hustotou obr 422 Je
zde možneacute pozorovat jak se pole deformuje přiacutetomnyacutem kontaminantem
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
43
Obr 423 Kontury magnetickeacuteho vektoroveacuteho potenciaacutelu s viditelnou deformaciacute pole způsobenou
feromagnetickyacutem kontaminantem
42 Vyšet řovaacuteniacute množstviacute vyza řovaneacute energie V teacuteto čaacutesti se vychaacutezelo z předpokladu že intenzita elektromagnetickeacuteho pole uvnitř
detektoru je mnohem většiacute než elektromagnetickyacute šum kteryacute do detektoru vnikaacute z okoliacute
Proto lze předpoklaacutedat že rušeniacute bude způsobeno předevšiacutem deformaciacute vlastniacuteho
vyzařovaneacuteho pole v bliacutezkeacutem okoliacute detektoru To vede ke snaze snižovat množstviacute vlastniacuteho
vyzaacuteřeneacuteho pole ven z detektoru aby nemohlo byacutet deformovaacuteno okolniacutemi předměty
421 Řešeniacute probleacutemu Bylo porovnaacuteno pět variant detektorů bez průchodu kontaminantu Každaacute varianta se
řešila jedniacutem vyacutepočtem z čehož plyne malaacute časovaacute naacuteročnost a proto byly probleacutemy řešeny
bez využitiacute symetrie Prvniacute byl staacutevajiacuteciacute detektor o tloušťce kryciacuteho nerezoveacuteho plechu 3 mm
druhyacute byl stejneacute geometrie ale za použitiacute silnějšiacuteho 5 mm tlusteacuteho nerezu Třetiacute typ měl
tloušťku 3 mm ale na horniacute a dolniacute stěně bylo přidaacuteno dalšiacute stiacuteněniacute z nerezu ve tvaru T (obr
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
44
426) Posledniacute dva naacutevrhy měly pravouacutehlyacute tvar krytu celkově menšiacutech rozměrů z nichž jeden
byl jednoduchyacute o tloušťce 3 mm (obr 427) a druhyacute měl shora a zdola dvojiteacute dno z nerezu
tloušťky 3 mm (obr_428) Touto metodou by se dalo porovnaacutevat mnohem většiacute množstviacute
provedeniacute ktereacute by se mohly lišit i použityacutem materiaacutelem Vzduchoveacute okoliacute detektoru bylo
rozděleno na čtyři sektory v nichž se sečetly hodnoty magnetickeacute energie jednotlivyacutech
elementů v každeacutem kroku analyacutezy a tiacutem se ziacuteskal průběh množstviacute energie v daneacutem prostoru
na čase Objemovaacute hustota magnetickeacute energie byla zjišťovaacutena ve všech plochaacutech daneacute
geometrie a bylo možno sledovat jak se energie v čase přemisťuje
Obr 424 Geometrie varianty 3 mm
Obr 425 Geometrie varianty 5 mm
Obr 426 Geometrie varianty 3 mm-stineni
Obr 427 Geometrie varianty novy 1
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
45
Obr 428 Geometrie varianty novy 2
Přiacuteprava skriptů se od předchoziacutech vyacutepočtů lišila pouze v geometrii jinak byla
principiaacutelně stejnaacute Rozdiacutel byl však v čaacutesti post-processingu (ziacuteskaacutevaacuteniacute vyacutesledků) Aby bylo
možno přistupovat k jednotlivyacutem sektorům musel byacutet každyacute sektor definovaacuten vlastniacutem typem
elementů (elementy byly použity stejneacute jednaacute se pouze o čiacuteslovaacuteniacute) Byly použity osmkraacutet
elementy PLANE53
ET153 Tx vinuti ET253 prostor uvnitr detektoru ET353 nerezovy obal ET453 detekcni prostor ET553 vzduchove okoli - horni ET653 vzduchove okoli - pravy ET753 vzduchove okoli - dolni ET853 vzduchove okoli - levy
Přiacuteklad načiacutetaacuteniacute vyacutesledků pro jeden typ elementů
POST1 prepnutiacute do postprocesoru allsel oznaceni vsech elementu vytvoreni pole pro ukadani hodnot DIMenergie1TABLEkroku11timeE zapsani nulovych hodnot na zacatek vektoru vysledku energie1(00)=0 energie1(01)=0 cyklus ve kterem se nacitaji vysledky jednotlivych kroku simulace doi1kroku1 APPEND 1 i nacteni daneho kroku eseltype1 vybrani elementu typu 1 GET e_count1 ELEM count vraci mnozstvi elementu daneho typu GET e_next ELEM 0 NXTH vraci nejnizsi adresu elementu daneho typu v promenne e_next energ1=0 vynulovani promenne cyklus ktery postupne prochazi vsechy elementy daneho typu doj1e_count11 GET e_energ1 ELEM e_next SENE ulozi do promene e_energ1 mnozstvi energie v elementu s adresou e_next
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
46
GET e_next ELEM e_next NXTH posune adresu elementu o jedna energ1=energ1+e_energ1 pricte mnozstvi energie e_energ1 do kumulativni promnenne energ1 enddo konec vnitrniho cyklu energie1(i0)=i zapise do pole vysledku cislu jirju simulace energie1(i1)=energ1 zapise do pole vysledku mnozstvi energie v cele plose s elementy daneho typu enddo konec vnejsiho cyklu zapis_energ zavolani makra pro zapis vysledku do souboru
422 Hodnoceniacute vyacutesledk ů V jednotlivyacutech sektorech se provedla suma magnetickeacute energie pro každyacute krok
simulace Vyacutesledkem jsou průběhy množstviacute energie v daneacute ploše v zaacutevislosti na krociacutech
simulace (čase) Jednotliveacute varianty byly hodnoceny na zaacutekladě porovnaacuteniacute průběhů se
staacutevajiacuteciacutem detektorem
Energie v Tx vinutiacute
000E+00
100E-03
200E-03
300E-03
400E-03
500E-03
600E-03
700E-03
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 429 Energie v Tx vinutiacute
Na grafu (obr 429) je vidět že množstviacute energie v Tx vinutiacute neniacute zaacutevisleacute na geometrii a je
daacuteno budiacuteciacutem signaacutelem v Tx vinutiacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
47
Energie unit ř detektoru
000E+00
200E-02
400E-02
600E-02
800E-02
100E-01
120E-01
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 430 Energie uvnitř detektoru
Na obr 430 je znaacutezorněno množstviacute energie v prostoru detektoru do ktereacuteho neniacute
započiacutetaacutena detekčniacute oblast ta je zobrazena na obr 432 V teacuteto čaacutesti neniacute pozorovaacutena žaacutednaacute
vyacuteraznaacute změna
Energie v nerezoveacutem obalu
000E+00
500E-05
100E-04
150E-04
200E-04
250E-04
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 431 Energie v nerezoveacutem obalu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
48
Vyacuteraznějšiacute změny se odehraacutevajiacute v nerezoveacutem obalu Nejmenšiacute množstviacute energie je v klasickeacute
3 mm tlusteacute a v 5 mm tlusteacute variantě U klasickeacute varianty se stiacuteněniacutem a u novyacutech naacutevrhů je
naacuterůst způsoben přibliacuteženiacutem nerezu k Tx vinutiacute
Energie v prostoru detek čniacuteho otvoru
000E+00
500E-03
100E-02
150E-02
200E-02
250E-02
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 432 Energie v prostoru detekčniacuteho otvoru
V oblasti detekčniacuteho otvoru je snaha o uchovaacuteniacute co největšiacuteho množstviacute energie neboť
zmenšeniacute energie vede ke sniacuteženiacute odezvy na kontaminant tedy ke sniacuteženiacute citlivosti detektoru
Z obr 432 je patrneacute že geometrickeacute uacutepravy detektoru (3 mm se stiacuteněniacutem novy 1 a novy 2)
vedou ke sniacuteženiacute množstviacute energie v tomto prostoru
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
49
Energie v horniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
100E-07
200E-07
300E-07
400E-07
500E-07
600E-07
700E-07
800E-07
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 433 Energie v horniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Energie v dolniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
100E-07
200E-07
300E-07
400E-07
500E-07
600E-07
700E-07
800E-07
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 434 Energie v dolniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Porovnajiacute-li se obr 433 a 434 je u variant 1 - 3 možneacute pozorovat rozdiacutely mezi horniacute a dolniacute
plochou Je zde na prvniacute pohled vidět jak horniacute oblouk snižuje množstviacute energie unikajiacuteciacute do
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
50
okoliacute Jako uacutečinneacute se z pohledu těchto sektorů jeviacute varianta klasickeacuteho detektoru se stiacuteněniacutem a
novyacute naacutevrh s dvojityacutemi stěnami
Energie v praveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
500E-06
100E-05
150E-05
200E-05
250E-05
300E-05
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 435 Energie v praveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Energie v leveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
500E-06
100E-05
150E-05
200E-05
250E-05
300E-05
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 436 Energie v leveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
51
Pravyacute a levyacute sektor je z důvodů symetrie stejnyacute na obrazciacutech 435 a 436 lze pozorovat tzv
metal free zoacutenu kteraacute se u detektorů udaacutevaacute Jednaacute se o prostor před a za detekčniacutem otvorem
ve ktereacutem se nesmiacute nachaacutezet žaacutednyacute kovovyacute materiaacutel (z důvodu ovlivňovaacuteniacute pole) snahou je
tuto zoacutenu co nejviacutece zmenšit Z grafů je patrneacute že novyacute naacutevrh s dvojityacutemi stěnami vykazuje
nejmenšiacute množstviacute energie v teacuteto oblasti Naopak u klasickeacute varianty se stiacuteněniacutem došlo k
vytlačeniacute pole z vnitřku detektoru praacutevě do těchto okolniacutech zoacuten
Na zaacutekladě těchto poznatků bude provedeno ověřeniacute na skutečnyacutech zařiacutezeniacutech Mezi
použitelneacute varianty připadaacute klasickaacute konstrukce doplněnaacute o stiacuteněniacute a novyacute naacutevrh s dvojityacutemi
stěnami U toho je však velkaacute hrozba sniacuteženiacute citlivosti způsobeneacute menšiacutem množstviacutem energie
v detekčniacutem prostoru
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
52
5 Zaacutevěr Ciacutelem předklaacutedaneacute praacutece je zlepšeniacute činnosti detektorů kovů přiacutepadně uacuteprava
technologie vyacuteroby při současneacutem sniacuteženiacute vyacuterobniacutech naacutekladů Předpokladem uacutespěšnyacutech
naacutevrhů byla podrobnaacute studie činnosti a principu těchto zařiacutezeniacute kteraacute jsou vyacuterobcem po
několik let uacutespěšně prodaacutevaacutena na světovyacutech trziacutech
Na zaacutekladě těchto požadavků byly provedeny některeacute testy ktereacute měly ověřit
předpoklaacutedanaacute zlepšeniacute Nejširšiacute možnosti přinaacutešiacute modelovaacuteniacute magnetickeacuteho pole
průmyslovyacutech detektorů počiacutetačovou simulaciacute kteraacute je zatiacutem schopna řešit zadaneacute probleacutemy
v dvourozměrneacutem prostoru Nejčastěji řešeneacute probleacutemy jsou staacutele spojeny se zaacutekladniacutem
principem činnosti těchto zařiacutezeniacute tj vlivem a působeniacutem kontaminantu na
elektromagnetickeacute pole buzeneacute ciacutevkami uvnitř detektoru a nepřiacuteznivyacute vliv vnějšiacutech rušivyacutech
poliacute např při současneacute činnosti sousedniacutech detektorů Dalšiacutem zdrojem rušivyacutech magnetickyacutech
poliacute může byacutet i činnost a přiacutetomnost různyacutech elektrickyacutech zařiacutezeniacute probleacutem spojenyacute s
vhodnyacutem materiaacutelem a tvarem stiacuteněniacute těchto zařiacutezeniacute
Vzhledem k maximaacutelniacute citlivosti elektronickyacutech obvodů a požadovaneacute pečlivosti při
balancovaacuteniacute (vyvažovaacuteniacute) se vyskytuje probleacutem kteryacute souvisiacute se staacutelostiacute nastaveniacute detektoru
při mechanickeacutem otřesu přiacutepadně odstraněniacute změn ke kteryacutem dochaacuteziacute vlivem dopravy
Dalšiacutem plaacutenovanyacutem krokem je namodelovaacuteniacute probleacutemu v trojrozměrneacutem prostoru od
ktereacuteho je očekaacutevaacuteno zohledněniacute dalšiacutech vlivů a tiacutem zpřesněniacute samotneacuteho vyacutesledku
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
53
6 Použitaacute literatura [1] Internetoveacute straacutenky společnosti Loma Systems sro
httpwwwlomacom_czindexshtml
[2] Haacutejek J Jarchovskyacute Z Detektory kovů - naacutevod na stavbu nakladatelstviacute BEN Praha
2010
[3] Beneda L Detektory kovů bakalaacuteřskaacute praacutece ZČU Plzeň 2010
[4] Internetoveacute straacutenky společnosti Ad controls sro
httpwwwadcontrolsczdetektory_kovu_zakladni_pojmy
[5] KOVOHUTĚ ROKYCANY as COMTES FHT as MATEX sro Průběžnaacute
zpraacuteva k projektu FeNi - čj 1021207 - 32 za rok (2007 - 2009)
[6] Ansys Inc ANSYS HELP Release 130 Dokumentace k programu
[7] Karban P a kolektiv autorů Aplikace teoretickeacute elektrotechniky Skripta ZČU Plzeň
2011
[8] Benešovaacute Z Ulrych B Přiacuteručka pro použitiacute programů ve vyacuteuce teorie
elektromagnetickeacuteho pole Skripta ZČU Plzeň 1997
[9] Loma Systems sro Knowledge Base - Interniacute dokumentace společnosti
[10] Internetoveacute straacutenky společnosti Aerospace specification metals Inc
httpasmmatwebcomsearchSpecificMaterialaspbassnum=MQ304A
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
1
7 Přiacutelohy
71 Tvorba geometrie PREP7 prepnuti do rezimu preprocesingu jj=8 index polohy kontaminantu r1=05e-3 polomer Tx vodice 05 mm r2=15e-3 polomer kontaminantu 15 mm c=90e-3 sirka Rx civek h=1767e-3 vzdalenost mezi Tx vinutim hrx=(h2)+526e-3 zakladni vyskova poloha mezi Rx civkami hss=175e-3 vyska nerezoveho krytu wss=150e-3 sirka nerezoveho krytu tss=3e-3 tloustka nerezove steny hd=h-227e-3 vyska detekcniho otvoru wok=1000e-3 sirka vzduchoveho okoli hok=1000e-3 vyska vzduchoveho okoli wkon=(-250e-3)+(jj20e-3) poloha kontaminantu na ose X tvorba geometrickych bodu nerezoveho krytu K1022589e-30 K2022185e-30 K3-7907e-321208e-30 K4-78e-32085e-30 K57907e-321208e-30 K678e-32085e-30 K7-wsshss0 K8-wss+tsshss-tss0 K9wsshss0 K10wss-tsshss-tss0 K11-wss-hss0 K12-wss+tss-hss+tss0 K13wss-hss0 K14wss-tss-hss+tss0 vytvoreni ploch definovanymi body FLST273 FITEM27 FITEM23 FITEM21 FITEM25 FITEM29 FITEM213 FITEM211 AP51X FLST273 FITEM28 FITEM24 FITEM22 FITEM26 FITEM210 FITEM214 FITEM212 AP51X CYL40h2r1 plocha horniho Tx vodice CYL40-h2r1 ploch dolniho Tx vodice BLC50((h2)+hrx)2100e-310e-3 plocha horniho vzduchoveho okoli Tx vodice BLC50-((h2)+hrx)2100e-310e-3 plocha dolniho vzduchoveho okoli Tx vodice BLC5002wsshd plocha detekcniho ootvoru APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch odstraneni ploch ktere budou sjednoceny se vzduchovym okolim
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
2
FLST255ORDE4 FITEM210 FITEM2-12 FITEM215 FITEM218 ADELEP51X BLC500wokhok vytvoreni plochy vzduchoveho okoli APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch CYL4wkon0r2 vytvoreni plochy kontaminantu APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch konec tvorby geometrickeho modelu
72 Definice element ů materiaacutel ů a jejich p řiřazeniacute k plochaacutem definovani materialu MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX11 material 1 Tx permeabilita 1 MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX21 material 2 Air permeabilita 1 MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX31008 material 3 nerezovy kryt SS ANSI 304 permeabilita MPTEMP MPTEMP10 MPDATARSVX372e-7 material 3 nerezoovy kryt SS Ansi 304 rezistivita MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX4400 material 4 Kontaminant permeabilita MPTEMP MPTEMP10 MPDATARSVX4102e-7 material 4 Kontaminant rezistivita definovani elementu ET153 Tx civky ET253 Vzduch ET353 nerezovy kryt ET453 kontaminant nastaveni elementu KEYOPT110 Tx civky KEYOPT120 KEYOPT130 KEYOPT140 KEYOPT150 KEYOPT170 KEYOPT210 Air KEYOPT220 KEYOPT230 KEYOPT240 KEYOPT250 KEYOPT270 KEYOPT310 SS KEYOPT320 KEYOPT330 KEYOPT340 KEYOPT350
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
3
KEYOPT370 KEYOPT410 kontaminant KEYOPT420 KEYOPT430 KEYOPT440 KEYOPT450 KEYOPT470 prirazeni elementu a materialum k plocham FLST525ORDE2 Tx FITEM58 FITEM5-9 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 1 1 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 FLST535ORDE3 Air FITEM53 FITEM516 FITEM5-17 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 2 2 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 FLST525ORDE2 SS FITEM513 FITEM5-14 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 3 3 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 CM_YAREA kontaminant ASEL 1 CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 4 4 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
4
73 Siacuteťovaacuteniacute oblastiacute FLST275ORDE7 FITEM21 FITEM28 FITEM2-9 FITEM213 FITEM2-14 FITEM216 FITEM2-17 AESIZEP51X00005 nastaveni delky steny elementu 00005 m FLST215ORDE1 FITEM23 AESIZEP51X001 nastaveni delky steny elementu 001 m MSHAPE12D nastaveni 2D trojuhelnikove site MSHKEY0 FLST585ORDE8 FITEM51 FITEM53 FITEM58 FITEM5-9 FITEM513 FITEM5-14 FITEM516 FITEM5-17 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CHKMSHAREA CMSELS_Y AMESH_Y1 spusteni automatickeho sitovani CMDELE_Y CMDELE_Y1 CMDELE_Y2
74 Okrajovaacute podmiacutenka a nastaveniacute budiciacuteho pr ůběhu okrajova podminka FLST244ORDE4 FITEM214 FITEM212 FITEM27 FITEM25 DLP51X AZ0 nastaveni zatizeni parametry budici proudove hustoty f=35e3 frekvence signalu [Hz] part=600 pocet kroku signalu T_min=0 pocatek casove osy T_max=1f konec casove osy dt=T_maxpart casovy krok parametry prudove hustoty pi=4atan(1) s=pir12 I=600sqrt(2) N1=1 J1_a=IN1s definovani vzestupne casti pulsu tau=3 DIMJexTABLE5011timeJ Jex(11)=0
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
5
Jex(10)=0 doi2501 Jex(i1)=(J1_a)(1-exp(-itau)) Jex(i0)=(i) enddo definovani sestupne casti pulsu tau=3 DIMJex1TABLE5011timeJ Jex1(11)=J1_a Jex1(10)=0 doi2501 Jex1(i1)=(J1_a)(exp(-itau)) Jex1(i0)=(i) enddo sestaveni celeho pulsu DIMJex2TABLE10011timeJ Jex2(11)=0 Jex2(10)=0 doi2501 Jex2(i1)=Jex(i1) Jex2(i0)=(i) enddo doi511001 Jex2(i1)=Jex1(i-501) Jex2(i0)=(i) enddo priprava nulovych vektoru kladneho a zaporneho prubehu J DIMJ1TABLE60011timeJ DIMmJ1TABLE60011timeJ doi16001 J1(i0)=(i-1)dt time J1(i1)=0 J mJ1(i0)=(i-1)dt time mJ1(i1)=0 -J enddo vlozeni prvniho pulsu doi11001 J1(i1)=Jex2(i1) mJ1(i1)=-Jex2(i1) enddo vlozeni druheho pulsu doi3004001 J1(i1)=-Jex2(i-3001) mJ1(i1)=Jex2(i-3001) enddo prirazeni prubehu k plocham PREP7 FLST215ORDE1 FITEM28 BFAP51XJSJ1 FLST215ORDE1 FITEM29 BFAP51XJSmJ1
75 Nastaveniacute analyacutezy SOL prepnuti do Solution modu - nastaveni analyzy kroku=300 pocet kroku simulace ANTYPE4 TRNOPTFULL
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
6
NSUBSTkroku00 OUTRESERASE OUTRESALL1 TIMET_max solve spusti vypocet ulohy
76 Postprocessing POST1 prepne do Preprocesing modu krokyb=200 pocet kroku na delku coilgapu L=03 delka Rx snimace hrx1=(h2)+10e-3 jednotlive vyskove pozice Rx vinuti hrx2=(h2)+526e-3 hrx3=(h2) hrx4=((h2)-526e-3) hrx5=((h2)-10e-3) vytvoreni pole hodnot - 10 sloupcu x 300 radku sloupce odpovidaji poctu jednotlivych civek 2x5 (5 poloh horni a dolni civka) DIMTOKTABLEkroku101SUBSTEP TOK(00)=0 TOK(01)=0 TOK(02)=0 TOK(03)=0 TOK(04)=0 TOK(05)=0 TOK(06)=0 TOK(07)=0 TOK(08)=0 TOK(09)=0 TOK(010)=0 dok1kroku1 hlavni cyklus pocet cyklu odpovida poctu kroku analyzy APPEND 1 k nacteni k-teho kroku analyzy tato cast kodu je nutna pro kazdou civku zvlast (10x se opakuje) PATHHORNI26krokyb-1 definovani cesty horni civky PPATH10-c2hrx10 levy koncovy bod PPATH20c2hrx10 pravy koncovy bod PDEF BYAVG namapovani Y-slozky magneticke indukce B PCALCINTGINT_HORBYXGL vypocet integralu z By podle dX PBCPATH 0 PAGETHORNI1_TABL ulozeni hodnot ziskanych na definovane ceste do pole HORNI1_ PADELALL smazani cesty i s hodnotamy (pole HORNI1_ zustava) konec opakujici se casti prirazovani posledni hodnoty integralu do prislusneho pole vysledku TOK(k0)=k casova osa TOK(k1)=HORNI1_(krokyb6) TOK(k2)=DOLNI1_(krokyb6) TOK(k3)=HORNI2_(krokyb6) TOK(k4)=DOLNI2_(krokyb6) TOK(k5)=HORNI3_(krokyb6) TOK(k6)=DOLNI3_(krokyb6) TOK(k7)=HORNI4_(krokyb6) TOK(k8)=DOLNI4_(krokyb6) TOK(k9)=HORNI5_(krokyb6) TOK(k10)=DOLNI5_(krokyb6) DELPRM_ smaze vsechny pole vysledku koncici znakem _ enddo konec cyklu zapis_tok odkaz na skript pro zapsani pole vysledku do souboru txt
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
7
77 Makro Vyacutepis makra ktereacute uklaacutedaacute hodnoty do souboru tok_fitxt
MWRITETOK(111)tok_fitxt vytvori soubor tok_fitxt a ulozi do
nej matici vysletku TOK
(10E135) urcuje format zapisu hodnot - 10
sloupcu cisel o celkove delce 13ti
znaku z toho 5 za desetinou teckou
CFCLOS uzavre soubor
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
8
Eviden čniacute list
Souhlasiacutem s tiacutem aby moje bakalaacuteřskaacute praacutece byla půjčovaacutena k prezenčniacutemu studiu v
Univerzitniacute knihově ZČU v Plzni
Datum Podpis
Uživatel stvrzuje svyacutem čitelnyacutem podpisem že tuto bakalaacuteřskou praacuteci použil ke studijniacutem
uacutečelům a prohlašuje že ji uvede mezi použityacutemi prameny
Jmeacuteno Fakultakatedra Datum Podpis
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
27
4 Optimalizace a stiacuten ěniacute detektoru Jedniacutem z bodů teacuteto praacutece je navrženiacute optimalizaciacute průmysloveacuteho detektoru kovu z
hlediska kvality detekce a vyšetřeniacute elektromagnetickeacuteho pole s ohledem na rušiveacute vlivy Z
počaacutetku byly provaacuteděny pokusy se stiacuteněniacutem ciacutevek s ohledem na rušeniacute vnějšiacutem
elektromagnetickyacutem polem Prvniacute uacutevahy vedly k použitiacute stiacuteniacuteciacuteho materiaacutelu s velkou
permeabilitou kteryacute by do sebe soustředil většiacute množstviacute indukčniacutech čar unikajiacuteciacutech do okoliacute
a tiacutem omezil vnějšiacute rušeniacute Na zaacutekladě teacuteto uacutevahy byly testovaacuteny dva materiaacutely FeNi47ln5
tloušťky 03 mm a FeNi42 tloušťky 04 mm ktereacute mohou dosahovat relativniacute permeability až
micror_12106 [5] Těmito pokusy se sice sniacutežilo množstviacute indukčniacutech čar magnetickeacuteho pole
unikajiacuteciacuteho z detektoru ale vlivem přiacuteliš velkeacute permeability bylo ovlivněno i pole uvnitř
detekčniacuteho prostoru kde došlo ke sniacuteženiacute citlivosti Tento naacutevrh měl dalšiacute negativniacute faktory
jako je vysokaacute cena použityacutech materiaacutelů a omezeneacute vyacuterobniacute možnosti nedostačujiacuteciacute šiacuteřkou
paacutesů což by vedlo ke sklaacutedaacuteniacute plechů vedle sebe a tiacutem ke vzniku nehomogenit
Aby byly optimalizace efektivniacute je třeba znaacutet rozloženiacute elektromagnetickeacuteho pole
uvnitř detektoru a vlivy ktereacute na něj působiacute Proto bylo přistoupeno k využitiacute počiacutetačoveacuteho
softwaru Ansys Jednaacute se o profesionaacutelniacute software založenyacute na metodě konečnyacutech prvků Je
určen předevšiacutem pro simulace mechanickeacuteho namaacutehaacuteniacute ale umožňuje i řešeniacute teplotniacutech
elektromagnetickyacutech a sdruženyacutech poliacute [6] Ansys byl vybraacuten předevšiacutem pro možnost řešeniacute i
3D probleacutemů V teacuteto praacuteci bylo z důvodů vyacutepočetniacute naacuteročnosti a velkeacuteho množstviacute
jednotlivyacutech vyacutepočtů přistoupeno k řešeniacute probleacutemu pouze ve dvourozměrneacutem prostoru V
tomto přiacutepadě je řešeno nestacionaacuterniacute magnetickeacute pole ktereacute popisuje rovnice (41) [7]
( ) extr JArotdt
dABArotrot =timesminus+
minus γυγmicro1
(41)
kde
BArot = (42)
A magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel
micro permeabilita
Br remanentniacute indukce
B magnetickaacute indukce
γ měrnaacute elektrickaacute vodivost
ν rychlost pohybu tělesa v magnetickeacutem poli
Jext vektor vnějšiacute proudoveacute hustoty
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
28
41 Vyšet řovaacuteniacute vlivu pozice Rx vinutiacute Nejprve byly provedeny simulace staacutevajiacuteciacuteho zařiacutezeniacute o rozměrech detekčniacuteho otvoru
150 mm x 350 mm Zaacutekladniacute geometrie probleacutemu je na obraacutezku 41 Pro řešeniacute zaacutekladniacuteho
probleacutemu by bylo možneacute použiacutet symetrii modelu pokud však model doplniacuteme o kontaminant
možnost teacuteto symetrie odpadaacute Byly provedeny tři seacuterie vyacutepočtů ktereacute se lišily materiaacutelem
kontaminantu Každaacute seacuterie se sklaacutedala z 24 samostatnyacutech vyacutepočtů ve kteryacutech se postupně
měnila pozice kontaminantu tak jako je tomu při skutečneacute situaci na dopravniacutem paacutesu
Použityacutem APDL skriptem by bylo možneacute řešit i průchody kontaminantu v různyacutech vyacuteškaacutech
detekčniacuteho otvoru Pro potřeby těchto vyacutepočtů byl průchod zvolen středem jelikož je zde
citlivost detektoru nejnižšiacute Nutno poukaacutezat na skutečnost že kontaminant reprezentovanyacute
kružniciacute v řezu detektoru nelze považovat za kulovyacute nyacutebrž za vodič kruhoveacuteho průřezu
stejneacute deacutelky jako Tx respektive Rx vinutiacute Rozmeziacute pohybu kontaminantu bylo od -230 mm
do 230 mm vůči Tx vinutiacute s krokem 20 mm Obdeacutelniacuteky v okoliacute Tx vinutiacute byly vytvořeny za
uacutečelem možnosti zjemněniacute vyacutepočetniacute siacutetě v prostoru Tx a Rx vinutiacute Na obraacutezku 41 nejsou
namodelovaacuteny Rx ciacutevky neboť hodnota naindukovaneacuteho napětiacute byla ziacuteskaacutevaacutena v pěti
různyacutech vyacuteškovyacutech poziciacutech a bylo hodnoceno indukovaneacute napětiacute Ui
Obr 41 Zaacutekladniacute geometrie
nerezovyacute kryt
vodiče Tx vinutiacute
kontaminant
obdeacutelniacuteky vzduchoveacuteho okoliacute s jemnějšiacute vyacutepočetniacute siacutetiacute střed souřadneacuteho
systeacutemu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
29
411 Preprocessing - p řiacuteprava skriptu Nejprve bylo nutneacute zjistit geometrickeacute rozměry a materiaacuteloveacute konstanty zkoumaneacuteho
detektoru Geometrickeacute rozměry byly ziacuteskaacuteny z databaacuteze Solidworks modelů společnosti
Loma Systems sro V kapitole 71 je uacuteryvek APDL skriptu pro tvorbu geometrie
Materiaacutely použiteacute v modelu jsou vzduch vodiče Tx vinutiacute nerezovyacute obal detektoru a
materiaacutely kontaminantů V raacutemci zjednodušeniacute modelu nebyly uvažovaacuteny PVC izolace Tx
vinutiacute samotneacute Tufneloveacute jaacutedro a materiaacutel s niacutemž je prostor mezi jaacutedrem a nerezovyacutem
krytem vyplněn neboť tyto materiaacutely vykazujiacute z pohledu šiacuteřeniacute elektromagnetickeacuteho pole
stejneacute vlastnosti jako vzduch Konkreacutetniacute hodnoty materiaacutelovyacutech konstant viz tabulka 41
odpor Tx vinutiacute nebyl uvažovaacuten neboť jeho plochy byly zatiacuteženy definovanou proudovou
hustotou tudiacutež neniacute možneacute uvažovat přiacutepadně naindukovaneacute viacuteřiveacute proudy Daacutele bylo nutneacute
zvolit a spraacutevně nastavit použiteacute elementy modelu
Tab 41 Materiaacuteloveacute vlastnosti
měrnaacute
permeabilita [-] měrnyacute elektrickyacute
odpor [Ωm]
vzduch 1 -
Tx vinutiacute 1 -
nerezovaacute ocel (ANSI 304 DIN 14301)
1008 [10] 72010-7
neželeznyacute kontaminant (mosaz)
1 75010-8
železnyacute kontaminant (chromovaacute ocel)
400 12010-7
nerezovyacute kontaminant (ANSI 304 DIN 14301) 1008 72010-7
Jako elementy daneacuteho modelu byly zvoleny elementy PLANE53 určeneacute pro řešeniacute
magnetickeacuteho pole Jednaacute se o osmi uzloveacute elementy ktereacute mohou miacutet až čtyři stupně
volnosti na uzel Stupně volnosti mohou byacutet magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel (AZ) časově
integrovanyacute elektrickyacute skalaacuterniacute potenciaacutel (VOLT) elektrickyacute proud (CURR) a
elektromotorickaacute siacutela (EMF) [6] Geometrie elementu na obr 42
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
30
Obr 42 Geometrie elementu PLANE53 [6]
Uacuteryvek koacutedu v kapitole 72 obsahuje definovaacuteniacute materiaacutelovyacutech vlastnostiacute definovaacuteniacute
elementů a jejich nastaveniacute V dalšiacute časti bylo nutneacute jednotliveacute materiaacutely a elementy přiřadit
danyacutem plochaacutem
Daacutele bylo zapotřebiacute nastavit atributy pro automatickeacute siacuteťovaacuteniacute oblasti Je nutneacute aby v
tenkyacutech a malyacutech plochaacutech byla vyššiacute hustota siacutetě než na velkyacutech plochaacutech kde postačuje siacuteť
řidšiacute Velmi důležitaacute je kompatibilita siacutetě proto byla v okoliacute Tx vodičů vytvořena
obdeacutelniacutekovaacute oblast s hustšiacute siacutetiacute viz uacuteryvek koacutedu v přiacuteloze 73
Obr 43 Detailniacute pohled na siacuteť elementů
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
31
V posledniacute čaacutesti preprocessingu byla definovaacutena Dirichletova okrajovaacute podmiacutenka
udaacutevajiacuteciacute magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel roven nule na vnějšiacute hrany vzduchoveacuteho okoliacute a
průběh budiacuteciacute proudoveacute hustoty v Tx vodičiacutech V horniacutem a dolniacutem vodiči měly toky opačnyacute
smysl proto bylo nutneacute vytvořit dva vektory hodnot J1 (obr 44) a mJ1 V posledniacute řadě bylo
provedeno přiřazeniacute průběhů k plochaacutem viz kapitola 74
Obr 44 Průběh proudoveacute hustoty v ploše Tx vodiče
Ansys byl do Solution modu přepnut přiacutekazem SOL kde se provedlo nastaveniacute
analyacutezy a byl spuštěn vyacutepočet viz kapitola 76
412 Postprocessing - ziacuteskaacutevaacuteniacute vyacutesledk ů Ciacutelem teacuteto čaacutesti bylo zjištěniacute průběhů naindukovanyacutech napětiacute Ui v zaacutevislosti na čase
pro různeacute vyacuteškoveacute pozice přijiacutemaciacutech ciacutevek Rx Pro indukovaneacute napětiacute platiacute vztah
( )Vndt
dU i sdotΦminus= (43)
kde
( )TdxBlx
x
Yint sdotsdot=Φ2
1
(44)
n počet zaacutevitů Rx vinutiacute
l deacutelka Rx vinutiacute ve směru osy Z
x1 a x2 šiacuteřka Rx vinutiacute ve směru osy X
BY složka magnetickeacute indukce v ose Y
Zadaacuteniacutem souřadnic dvou bodů se nadefinovala uacutesečka (cesta) na kterou byly s určityacutem
J (Am-2)
kroky vyacutepočtu (-)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
32
krokem zaznamenaacuteny hodnoty magnetickeacute indukce BY Průběh BY v zaacutevislosti na souřadnici X
je na obr 45
Obr 45 Průběh magnetickeacute indukce BY v zaacutevislosti na souřadnici X
Obr 46 Průběh magnetickeacuteho toku Φ v zaacutevislosti na souřadnici X
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
33
Integrovaacuteniacutem průběhu BY se ziacuteskal průběh magnetickeacuteho indukčniacuteho toku Φ obr 46
Magnetickyacute indukčniacute tok Φ je roven určiteacutemu integraacutelu (rovnice 44) průběhu BY obr 45 Z
toho vyplyacutevaacute že magnetickyacute indukčniacute tok je roven posledniacute hodnotě průběhu na obr 46
Tato hodnota se vynaacutesobila deacutelkou Rx vinutiacute Postup vyacutepočtu se opakoval pro všechny pozice
Rx vinutiacute a to v každeacutem kroku transientniacute analyacutezy Tiacutem se ziacuteskala zaacutevislost magnetickeacuteho
indukčniacuteho toku Φ na čase t V programu MS Excel se vynaacutesobil tok počtem zaacutevitů Rx vinutiacute
a byla provedena derivace podle času (rovnice 43) Takto byly zpracovaacuteny vyacutesledky pro
všechny pozice kontaminantu vůči Tx vinutiacute APDL skript pro ziacuteskaacutevaacuteniacute hodnot viz kapitola
76 a v kapitole 77 je vyacutepis makra ktereacute uklaacutedaacute hodnoty do souboru
413 Hodnoceniacute vyacutesledk ů Vypočteneacute hodnoty Ui ve všech pěti vyacuteškovyacutech poziciacutech hrx byly vyneseny do grafů v
zaacutevislosti na čase Pokud se vynesou do jednoho grafu průběhy indukovanyacutech napětiacute pro
každou pozici kontaminantu v daneacute vyacutešce lze sledovat odezvu indukovaneacuteho napětiacute na
polohu kontaminantu Jelikož byly provedeny tři seacuterie vyacutepočtů s různyacutemi kontaminanty lze
porovnat i tvary přijiacutemanyacutech signaacutelu pro jednotliveacute materiaacutely Ciacutelem teacuteto čaacutesti je porovnat
signaacutely ziacuteskaacutevaneacute v různyacutech vyacuteškovyacutech polohaacutech Rx vinutiacute a vybrat nejvhodnějšiacute signaacutel pro
detekci
Na naacutesledujiacuteciacutech grafech jsou znaacutezorněny napěťoveacute průběhy během jedneacute periody v
zaacutevislosti na poloze kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
34
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 47 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 48 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
35
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 49 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 410 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
36
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 411 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 5)
Na obraacutezciacutech 47 až 411 jsou zobrazeny průběhy odpoviacutedajiacuteciacute průchodu železneacuteho
kontaminantu s relativniacute permeablitou 400 a měrnyacutem elektrickyacutem odporem 10210-7 Ωm Na
průběziacutech 47 48 a 411 lze pozorovat sice nižšiacute hodnotu signaacutelu ale celkovaacute deformace
během průchodu kontaminantu je většiacute
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 412 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
37
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 413 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 414 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
38
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 415 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 416 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce5)
Na obraacutezciacutech 412 až 416 jsou zobrazeneacute průběhy odpoviacutedajiacuteciacute průchodu kontaminantu z
nerezu ANSI 304 s relativniacute permeablitou 1008 a měrnyacutem elektrickyacutem odporem 7210-7
Ωm Při porovnaacuteniacute s předchoziacutem kontaminantem je změna signaacutelu nižšiacute což odpoviacutedaacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
39
předpokladům o obtiacutežnějšiacute detekci nerezovyacutech kontaminantů
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 417 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 418 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
40
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 419 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 420 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
41
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 421 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 5)
Na obraacutezciacutech 417 až 421 jsou zobrazeny průběhy odpoviacutedajiacuteciacute neželezneacutemu
kontaminantu (mědi) s parametry relativniacute permeablita 1 a měrnyacute elektrickyacute odpor 7510-8
Ωm Průběh signaacutelu je velmi podobnyacute signaacutelům nerezoveacuteho kontaminantu
Porovnaacuteniacutem všech grafů (obr 47 - obr 422) je obecně vidět že u průběhů ve vyacutešce
3 a 4 je zisk signaacutelu pro všechny modelovaneacute kontaminanty největšiacute Dochaacuteziacute zde ale ke
změně amplitudy pouze v jednom smyslu což z hlediska vyhodnocovaciacutech algoritmů zlepšeniacute
detekce vylučuje Naproti tomu je u signaacutelu ve vyacutešce 5 znatelně vyššiacute amplituda než v
použiacutevaneacute vyacutešce 2 Na zaacutekladě tohoto zjištěniacute bude zhotoven prototyp detektoru za uacutečelem
ověřeniacute teoretickyacutech vyacutesledků
Na obraacutezku 422 je ukaacutezka grafickeacuteho vyacutestupu zobrazujiacuteciacuteho vektory proudoveacute
hustoty naindukovaneacute v nerezoveacutem krytu a v kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
42
Obr 422 Vektory proudovyacutech hustot naindukovanyacutech do kontaminantu a nerezoveacuteho krytu
Obraacutezek 423 zobrazuje kontury magnetickeacuteho pole ve stejneacutem časoveacutem kroku jako obr
422 Pole ktereacute je konturami zobrazeno je tvořeno praacutevě proudovou hustotou obr 422 Je
zde možneacute pozorovat jak se pole deformuje přiacutetomnyacutem kontaminantem
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
43
Obr 423 Kontury magnetickeacuteho vektoroveacuteho potenciaacutelu s viditelnou deformaciacute pole způsobenou
feromagnetickyacutem kontaminantem
42 Vyšet řovaacuteniacute množstviacute vyza řovaneacute energie V teacuteto čaacutesti se vychaacutezelo z předpokladu že intenzita elektromagnetickeacuteho pole uvnitř
detektoru je mnohem většiacute než elektromagnetickyacute šum kteryacute do detektoru vnikaacute z okoliacute
Proto lze předpoklaacutedat že rušeniacute bude způsobeno předevšiacutem deformaciacute vlastniacuteho
vyzařovaneacuteho pole v bliacutezkeacutem okoliacute detektoru To vede ke snaze snižovat množstviacute vlastniacuteho
vyzaacuteřeneacuteho pole ven z detektoru aby nemohlo byacutet deformovaacuteno okolniacutemi předměty
421 Řešeniacute probleacutemu Bylo porovnaacuteno pět variant detektorů bez průchodu kontaminantu Každaacute varianta se
řešila jedniacutem vyacutepočtem z čehož plyne malaacute časovaacute naacuteročnost a proto byly probleacutemy řešeny
bez využitiacute symetrie Prvniacute byl staacutevajiacuteciacute detektor o tloušťce kryciacuteho nerezoveacuteho plechu 3 mm
druhyacute byl stejneacute geometrie ale za použitiacute silnějšiacuteho 5 mm tlusteacuteho nerezu Třetiacute typ měl
tloušťku 3 mm ale na horniacute a dolniacute stěně bylo přidaacuteno dalšiacute stiacuteněniacute z nerezu ve tvaru T (obr
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
44
426) Posledniacute dva naacutevrhy měly pravouacutehlyacute tvar krytu celkově menšiacutech rozměrů z nichž jeden
byl jednoduchyacute o tloušťce 3 mm (obr 427) a druhyacute měl shora a zdola dvojiteacute dno z nerezu
tloušťky 3 mm (obr_428) Touto metodou by se dalo porovnaacutevat mnohem většiacute množstviacute
provedeniacute ktereacute by se mohly lišit i použityacutem materiaacutelem Vzduchoveacute okoliacute detektoru bylo
rozděleno na čtyři sektory v nichž se sečetly hodnoty magnetickeacute energie jednotlivyacutech
elementů v každeacutem kroku analyacutezy a tiacutem se ziacuteskal průběh množstviacute energie v daneacutem prostoru
na čase Objemovaacute hustota magnetickeacute energie byla zjišťovaacutena ve všech plochaacutech daneacute
geometrie a bylo možno sledovat jak se energie v čase přemisťuje
Obr 424 Geometrie varianty 3 mm
Obr 425 Geometrie varianty 5 mm
Obr 426 Geometrie varianty 3 mm-stineni
Obr 427 Geometrie varianty novy 1
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
45
Obr 428 Geometrie varianty novy 2
Přiacuteprava skriptů se od předchoziacutech vyacutepočtů lišila pouze v geometrii jinak byla
principiaacutelně stejnaacute Rozdiacutel byl však v čaacutesti post-processingu (ziacuteskaacutevaacuteniacute vyacutesledků) Aby bylo
možno přistupovat k jednotlivyacutem sektorům musel byacutet každyacute sektor definovaacuten vlastniacutem typem
elementů (elementy byly použity stejneacute jednaacute se pouze o čiacuteslovaacuteniacute) Byly použity osmkraacutet
elementy PLANE53
ET153 Tx vinuti ET253 prostor uvnitr detektoru ET353 nerezovy obal ET453 detekcni prostor ET553 vzduchove okoli - horni ET653 vzduchove okoli - pravy ET753 vzduchove okoli - dolni ET853 vzduchove okoli - levy
Přiacuteklad načiacutetaacuteniacute vyacutesledků pro jeden typ elementů
POST1 prepnutiacute do postprocesoru allsel oznaceni vsech elementu vytvoreni pole pro ukadani hodnot DIMenergie1TABLEkroku11timeE zapsani nulovych hodnot na zacatek vektoru vysledku energie1(00)=0 energie1(01)=0 cyklus ve kterem se nacitaji vysledky jednotlivych kroku simulace doi1kroku1 APPEND 1 i nacteni daneho kroku eseltype1 vybrani elementu typu 1 GET e_count1 ELEM count vraci mnozstvi elementu daneho typu GET e_next ELEM 0 NXTH vraci nejnizsi adresu elementu daneho typu v promenne e_next energ1=0 vynulovani promenne cyklus ktery postupne prochazi vsechy elementy daneho typu doj1e_count11 GET e_energ1 ELEM e_next SENE ulozi do promene e_energ1 mnozstvi energie v elementu s adresou e_next
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
46
GET e_next ELEM e_next NXTH posune adresu elementu o jedna energ1=energ1+e_energ1 pricte mnozstvi energie e_energ1 do kumulativni promnenne energ1 enddo konec vnitrniho cyklu energie1(i0)=i zapise do pole vysledku cislu jirju simulace energie1(i1)=energ1 zapise do pole vysledku mnozstvi energie v cele plose s elementy daneho typu enddo konec vnejsiho cyklu zapis_energ zavolani makra pro zapis vysledku do souboru
422 Hodnoceniacute vyacutesledk ů V jednotlivyacutech sektorech se provedla suma magnetickeacute energie pro každyacute krok
simulace Vyacutesledkem jsou průběhy množstviacute energie v daneacute ploše v zaacutevislosti na krociacutech
simulace (čase) Jednotliveacute varianty byly hodnoceny na zaacutekladě porovnaacuteniacute průběhů se
staacutevajiacuteciacutem detektorem
Energie v Tx vinutiacute
000E+00
100E-03
200E-03
300E-03
400E-03
500E-03
600E-03
700E-03
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 429 Energie v Tx vinutiacute
Na grafu (obr 429) je vidět že množstviacute energie v Tx vinutiacute neniacute zaacutevisleacute na geometrii a je
daacuteno budiacuteciacutem signaacutelem v Tx vinutiacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
47
Energie unit ř detektoru
000E+00
200E-02
400E-02
600E-02
800E-02
100E-01
120E-01
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 430 Energie uvnitř detektoru
Na obr 430 je znaacutezorněno množstviacute energie v prostoru detektoru do ktereacuteho neniacute
započiacutetaacutena detekčniacute oblast ta je zobrazena na obr 432 V teacuteto čaacutesti neniacute pozorovaacutena žaacutednaacute
vyacuteraznaacute změna
Energie v nerezoveacutem obalu
000E+00
500E-05
100E-04
150E-04
200E-04
250E-04
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 431 Energie v nerezoveacutem obalu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
48
Vyacuteraznějšiacute změny se odehraacutevajiacute v nerezoveacutem obalu Nejmenšiacute množstviacute energie je v klasickeacute
3 mm tlusteacute a v 5 mm tlusteacute variantě U klasickeacute varianty se stiacuteněniacutem a u novyacutech naacutevrhů je
naacuterůst způsoben přibliacuteženiacutem nerezu k Tx vinutiacute
Energie v prostoru detek čniacuteho otvoru
000E+00
500E-03
100E-02
150E-02
200E-02
250E-02
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 432 Energie v prostoru detekčniacuteho otvoru
V oblasti detekčniacuteho otvoru je snaha o uchovaacuteniacute co největšiacuteho množstviacute energie neboť
zmenšeniacute energie vede ke sniacuteženiacute odezvy na kontaminant tedy ke sniacuteženiacute citlivosti detektoru
Z obr 432 je patrneacute že geometrickeacute uacutepravy detektoru (3 mm se stiacuteněniacutem novy 1 a novy 2)
vedou ke sniacuteženiacute množstviacute energie v tomto prostoru
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
49
Energie v horniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
100E-07
200E-07
300E-07
400E-07
500E-07
600E-07
700E-07
800E-07
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 433 Energie v horniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Energie v dolniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
100E-07
200E-07
300E-07
400E-07
500E-07
600E-07
700E-07
800E-07
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 434 Energie v dolniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Porovnajiacute-li se obr 433 a 434 je u variant 1 - 3 možneacute pozorovat rozdiacutely mezi horniacute a dolniacute
plochou Je zde na prvniacute pohled vidět jak horniacute oblouk snižuje množstviacute energie unikajiacuteciacute do
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
50
okoliacute Jako uacutečinneacute se z pohledu těchto sektorů jeviacute varianta klasickeacuteho detektoru se stiacuteněniacutem a
novyacute naacutevrh s dvojityacutemi stěnami
Energie v praveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
500E-06
100E-05
150E-05
200E-05
250E-05
300E-05
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 435 Energie v praveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Energie v leveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
500E-06
100E-05
150E-05
200E-05
250E-05
300E-05
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 436 Energie v leveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
51
Pravyacute a levyacute sektor je z důvodů symetrie stejnyacute na obrazciacutech 435 a 436 lze pozorovat tzv
metal free zoacutenu kteraacute se u detektorů udaacutevaacute Jednaacute se o prostor před a za detekčniacutem otvorem
ve ktereacutem se nesmiacute nachaacutezet žaacutednyacute kovovyacute materiaacutel (z důvodu ovlivňovaacuteniacute pole) snahou je
tuto zoacutenu co nejviacutece zmenšit Z grafů je patrneacute že novyacute naacutevrh s dvojityacutemi stěnami vykazuje
nejmenšiacute množstviacute energie v teacuteto oblasti Naopak u klasickeacute varianty se stiacuteněniacutem došlo k
vytlačeniacute pole z vnitřku detektoru praacutevě do těchto okolniacutech zoacuten
Na zaacutekladě těchto poznatků bude provedeno ověřeniacute na skutečnyacutech zařiacutezeniacutech Mezi
použitelneacute varianty připadaacute klasickaacute konstrukce doplněnaacute o stiacuteněniacute a novyacute naacutevrh s dvojityacutemi
stěnami U toho je však velkaacute hrozba sniacuteženiacute citlivosti způsobeneacute menšiacutem množstviacutem energie
v detekčniacutem prostoru
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
52
5 Zaacutevěr Ciacutelem předklaacutedaneacute praacutece je zlepšeniacute činnosti detektorů kovů přiacutepadně uacuteprava
technologie vyacuteroby při současneacutem sniacuteženiacute vyacuterobniacutech naacutekladů Předpokladem uacutespěšnyacutech
naacutevrhů byla podrobnaacute studie činnosti a principu těchto zařiacutezeniacute kteraacute jsou vyacuterobcem po
několik let uacutespěšně prodaacutevaacutena na světovyacutech trziacutech
Na zaacutekladě těchto požadavků byly provedeny některeacute testy ktereacute měly ověřit
předpoklaacutedanaacute zlepšeniacute Nejširšiacute možnosti přinaacutešiacute modelovaacuteniacute magnetickeacuteho pole
průmyslovyacutech detektorů počiacutetačovou simulaciacute kteraacute je zatiacutem schopna řešit zadaneacute probleacutemy
v dvourozměrneacutem prostoru Nejčastěji řešeneacute probleacutemy jsou staacutele spojeny se zaacutekladniacutem
principem činnosti těchto zařiacutezeniacute tj vlivem a působeniacutem kontaminantu na
elektromagnetickeacute pole buzeneacute ciacutevkami uvnitř detektoru a nepřiacuteznivyacute vliv vnějšiacutech rušivyacutech
poliacute např při současneacute činnosti sousedniacutech detektorů Dalšiacutem zdrojem rušivyacutech magnetickyacutech
poliacute může byacutet i činnost a přiacutetomnost různyacutech elektrickyacutech zařiacutezeniacute probleacutem spojenyacute s
vhodnyacutem materiaacutelem a tvarem stiacuteněniacute těchto zařiacutezeniacute
Vzhledem k maximaacutelniacute citlivosti elektronickyacutech obvodů a požadovaneacute pečlivosti při
balancovaacuteniacute (vyvažovaacuteniacute) se vyskytuje probleacutem kteryacute souvisiacute se staacutelostiacute nastaveniacute detektoru
při mechanickeacutem otřesu přiacutepadně odstraněniacute změn ke kteryacutem dochaacuteziacute vlivem dopravy
Dalšiacutem plaacutenovanyacutem krokem je namodelovaacuteniacute probleacutemu v trojrozměrneacutem prostoru od
ktereacuteho je očekaacutevaacuteno zohledněniacute dalšiacutech vlivů a tiacutem zpřesněniacute samotneacuteho vyacutesledku
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
53
6 Použitaacute literatura [1] Internetoveacute straacutenky společnosti Loma Systems sro
httpwwwlomacom_czindexshtml
[2] Haacutejek J Jarchovskyacute Z Detektory kovů - naacutevod na stavbu nakladatelstviacute BEN Praha
2010
[3] Beneda L Detektory kovů bakalaacuteřskaacute praacutece ZČU Plzeň 2010
[4] Internetoveacute straacutenky společnosti Ad controls sro
httpwwwadcontrolsczdetektory_kovu_zakladni_pojmy
[5] KOVOHUTĚ ROKYCANY as COMTES FHT as MATEX sro Průběžnaacute
zpraacuteva k projektu FeNi - čj 1021207 - 32 za rok (2007 - 2009)
[6] Ansys Inc ANSYS HELP Release 130 Dokumentace k programu
[7] Karban P a kolektiv autorů Aplikace teoretickeacute elektrotechniky Skripta ZČU Plzeň
2011
[8] Benešovaacute Z Ulrych B Přiacuteručka pro použitiacute programů ve vyacuteuce teorie
elektromagnetickeacuteho pole Skripta ZČU Plzeň 1997
[9] Loma Systems sro Knowledge Base - Interniacute dokumentace společnosti
[10] Internetoveacute straacutenky společnosti Aerospace specification metals Inc
httpasmmatwebcomsearchSpecificMaterialaspbassnum=MQ304A
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
1
7 Přiacutelohy
71 Tvorba geometrie PREP7 prepnuti do rezimu preprocesingu jj=8 index polohy kontaminantu r1=05e-3 polomer Tx vodice 05 mm r2=15e-3 polomer kontaminantu 15 mm c=90e-3 sirka Rx civek h=1767e-3 vzdalenost mezi Tx vinutim hrx=(h2)+526e-3 zakladni vyskova poloha mezi Rx civkami hss=175e-3 vyska nerezoveho krytu wss=150e-3 sirka nerezoveho krytu tss=3e-3 tloustka nerezove steny hd=h-227e-3 vyska detekcniho otvoru wok=1000e-3 sirka vzduchoveho okoli hok=1000e-3 vyska vzduchoveho okoli wkon=(-250e-3)+(jj20e-3) poloha kontaminantu na ose X tvorba geometrickych bodu nerezoveho krytu K1022589e-30 K2022185e-30 K3-7907e-321208e-30 K4-78e-32085e-30 K57907e-321208e-30 K678e-32085e-30 K7-wsshss0 K8-wss+tsshss-tss0 K9wsshss0 K10wss-tsshss-tss0 K11-wss-hss0 K12-wss+tss-hss+tss0 K13wss-hss0 K14wss-tss-hss+tss0 vytvoreni ploch definovanymi body FLST273 FITEM27 FITEM23 FITEM21 FITEM25 FITEM29 FITEM213 FITEM211 AP51X FLST273 FITEM28 FITEM24 FITEM22 FITEM26 FITEM210 FITEM214 FITEM212 AP51X CYL40h2r1 plocha horniho Tx vodice CYL40-h2r1 ploch dolniho Tx vodice BLC50((h2)+hrx)2100e-310e-3 plocha horniho vzduchoveho okoli Tx vodice BLC50-((h2)+hrx)2100e-310e-3 plocha dolniho vzduchoveho okoli Tx vodice BLC5002wsshd plocha detekcniho ootvoru APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch odstraneni ploch ktere budou sjednoceny se vzduchovym okolim
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
2
FLST255ORDE4 FITEM210 FITEM2-12 FITEM215 FITEM218 ADELEP51X BLC500wokhok vytvoreni plochy vzduchoveho okoli APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch CYL4wkon0r2 vytvoreni plochy kontaminantu APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch konec tvorby geometrickeho modelu
72 Definice element ů materiaacutel ů a jejich p řiřazeniacute k plochaacutem definovani materialu MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX11 material 1 Tx permeabilita 1 MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX21 material 2 Air permeabilita 1 MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX31008 material 3 nerezovy kryt SS ANSI 304 permeabilita MPTEMP MPTEMP10 MPDATARSVX372e-7 material 3 nerezoovy kryt SS Ansi 304 rezistivita MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX4400 material 4 Kontaminant permeabilita MPTEMP MPTEMP10 MPDATARSVX4102e-7 material 4 Kontaminant rezistivita definovani elementu ET153 Tx civky ET253 Vzduch ET353 nerezovy kryt ET453 kontaminant nastaveni elementu KEYOPT110 Tx civky KEYOPT120 KEYOPT130 KEYOPT140 KEYOPT150 KEYOPT170 KEYOPT210 Air KEYOPT220 KEYOPT230 KEYOPT240 KEYOPT250 KEYOPT270 KEYOPT310 SS KEYOPT320 KEYOPT330 KEYOPT340 KEYOPT350
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
3
KEYOPT370 KEYOPT410 kontaminant KEYOPT420 KEYOPT430 KEYOPT440 KEYOPT450 KEYOPT470 prirazeni elementu a materialum k plocham FLST525ORDE2 Tx FITEM58 FITEM5-9 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 1 1 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 FLST535ORDE3 Air FITEM53 FITEM516 FITEM5-17 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 2 2 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 FLST525ORDE2 SS FITEM513 FITEM5-14 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 3 3 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 CM_YAREA kontaminant ASEL 1 CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 4 4 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
4
73 Siacuteťovaacuteniacute oblastiacute FLST275ORDE7 FITEM21 FITEM28 FITEM2-9 FITEM213 FITEM2-14 FITEM216 FITEM2-17 AESIZEP51X00005 nastaveni delky steny elementu 00005 m FLST215ORDE1 FITEM23 AESIZEP51X001 nastaveni delky steny elementu 001 m MSHAPE12D nastaveni 2D trojuhelnikove site MSHKEY0 FLST585ORDE8 FITEM51 FITEM53 FITEM58 FITEM5-9 FITEM513 FITEM5-14 FITEM516 FITEM5-17 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CHKMSHAREA CMSELS_Y AMESH_Y1 spusteni automatickeho sitovani CMDELE_Y CMDELE_Y1 CMDELE_Y2
74 Okrajovaacute podmiacutenka a nastaveniacute budiciacuteho pr ůběhu okrajova podminka FLST244ORDE4 FITEM214 FITEM212 FITEM27 FITEM25 DLP51X AZ0 nastaveni zatizeni parametry budici proudove hustoty f=35e3 frekvence signalu [Hz] part=600 pocet kroku signalu T_min=0 pocatek casove osy T_max=1f konec casove osy dt=T_maxpart casovy krok parametry prudove hustoty pi=4atan(1) s=pir12 I=600sqrt(2) N1=1 J1_a=IN1s definovani vzestupne casti pulsu tau=3 DIMJexTABLE5011timeJ Jex(11)=0
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
5
Jex(10)=0 doi2501 Jex(i1)=(J1_a)(1-exp(-itau)) Jex(i0)=(i) enddo definovani sestupne casti pulsu tau=3 DIMJex1TABLE5011timeJ Jex1(11)=J1_a Jex1(10)=0 doi2501 Jex1(i1)=(J1_a)(exp(-itau)) Jex1(i0)=(i) enddo sestaveni celeho pulsu DIMJex2TABLE10011timeJ Jex2(11)=0 Jex2(10)=0 doi2501 Jex2(i1)=Jex(i1) Jex2(i0)=(i) enddo doi511001 Jex2(i1)=Jex1(i-501) Jex2(i0)=(i) enddo priprava nulovych vektoru kladneho a zaporneho prubehu J DIMJ1TABLE60011timeJ DIMmJ1TABLE60011timeJ doi16001 J1(i0)=(i-1)dt time J1(i1)=0 J mJ1(i0)=(i-1)dt time mJ1(i1)=0 -J enddo vlozeni prvniho pulsu doi11001 J1(i1)=Jex2(i1) mJ1(i1)=-Jex2(i1) enddo vlozeni druheho pulsu doi3004001 J1(i1)=-Jex2(i-3001) mJ1(i1)=Jex2(i-3001) enddo prirazeni prubehu k plocham PREP7 FLST215ORDE1 FITEM28 BFAP51XJSJ1 FLST215ORDE1 FITEM29 BFAP51XJSmJ1
75 Nastaveniacute analyacutezy SOL prepnuti do Solution modu - nastaveni analyzy kroku=300 pocet kroku simulace ANTYPE4 TRNOPTFULL
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
6
NSUBSTkroku00 OUTRESERASE OUTRESALL1 TIMET_max solve spusti vypocet ulohy
76 Postprocessing POST1 prepne do Preprocesing modu krokyb=200 pocet kroku na delku coilgapu L=03 delka Rx snimace hrx1=(h2)+10e-3 jednotlive vyskove pozice Rx vinuti hrx2=(h2)+526e-3 hrx3=(h2) hrx4=((h2)-526e-3) hrx5=((h2)-10e-3) vytvoreni pole hodnot - 10 sloupcu x 300 radku sloupce odpovidaji poctu jednotlivych civek 2x5 (5 poloh horni a dolni civka) DIMTOKTABLEkroku101SUBSTEP TOK(00)=0 TOK(01)=0 TOK(02)=0 TOK(03)=0 TOK(04)=0 TOK(05)=0 TOK(06)=0 TOK(07)=0 TOK(08)=0 TOK(09)=0 TOK(010)=0 dok1kroku1 hlavni cyklus pocet cyklu odpovida poctu kroku analyzy APPEND 1 k nacteni k-teho kroku analyzy tato cast kodu je nutna pro kazdou civku zvlast (10x se opakuje) PATHHORNI26krokyb-1 definovani cesty horni civky PPATH10-c2hrx10 levy koncovy bod PPATH20c2hrx10 pravy koncovy bod PDEF BYAVG namapovani Y-slozky magneticke indukce B PCALCINTGINT_HORBYXGL vypocet integralu z By podle dX PBCPATH 0 PAGETHORNI1_TABL ulozeni hodnot ziskanych na definovane ceste do pole HORNI1_ PADELALL smazani cesty i s hodnotamy (pole HORNI1_ zustava) konec opakujici se casti prirazovani posledni hodnoty integralu do prislusneho pole vysledku TOK(k0)=k casova osa TOK(k1)=HORNI1_(krokyb6) TOK(k2)=DOLNI1_(krokyb6) TOK(k3)=HORNI2_(krokyb6) TOK(k4)=DOLNI2_(krokyb6) TOK(k5)=HORNI3_(krokyb6) TOK(k6)=DOLNI3_(krokyb6) TOK(k7)=HORNI4_(krokyb6) TOK(k8)=DOLNI4_(krokyb6) TOK(k9)=HORNI5_(krokyb6) TOK(k10)=DOLNI5_(krokyb6) DELPRM_ smaze vsechny pole vysledku koncici znakem _ enddo konec cyklu zapis_tok odkaz na skript pro zapsani pole vysledku do souboru txt
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
7
77 Makro Vyacutepis makra ktereacute uklaacutedaacute hodnoty do souboru tok_fitxt
MWRITETOK(111)tok_fitxt vytvori soubor tok_fitxt a ulozi do
nej matici vysletku TOK
(10E135) urcuje format zapisu hodnot - 10
sloupcu cisel o celkove delce 13ti
znaku z toho 5 za desetinou teckou
CFCLOS uzavre soubor
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
8
Eviden čniacute list
Souhlasiacutem s tiacutem aby moje bakalaacuteřskaacute praacutece byla půjčovaacutena k prezenčniacutemu studiu v
Univerzitniacute knihově ZČU v Plzni
Datum Podpis
Uživatel stvrzuje svyacutem čitelnyacutem podpisem že tuto bakalaacuteřskou praacuteci použil ke studijniacutem
uacutečelům a prohlašuje že ji uvede mezi použityacutemi prameny
Jmeacuteno Fakultakatedra Datum Podpis
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
28
41 Vyšet řovaacuteniacute vlivu pozice Rx vinutiacute Nejprve byly provedeny simulace staacutevajiacuteciacuteho zařiacutezeniacute o rozměrech detekčniacuteho otvoru
150 mm x 350 mm Zaacutekladniacute geometrie probleacutemu je na obraacutezku 41 Pro řešeniacute zaacutekladniacuteho
probleacutemu by bylo možneacute použiacutet symetrii modelu pokud však model doplniacuteme o kontaminant
možnost teacuteto symetrie odpadaacute Byly provedeny tři seacuterie vyacutepočtů ktereacute se lišily materiaacutelem
kontaminantu Každaacute seacuterie se sklaacutedala z 24 samostatnyacutech vyacutepočtů ve kteryacutech se postupně
měnila pozice kontaminantu tak jako je tomu při skutečneacute situaci na dopravniacutem paacutesu
Použityacutem APDL skriptem by bylo možneacute řešit i průchody kontaminantu v různyacutech vyacuteškaacutech
detekčniacuteho otvoru Pro potřeby těchto vyacutepočtů byl průchod zvolen středem jelikož je zde
citlivost detektoru nejnižšiacute Nutno poukaacutezat na skutečnost že kontaminant reprezentovanyacute
kružniciacute v řezu detektoru nelze považovat za kulovyacute nyacutebrž za vodič kruhoveacuteho průřezu
stejneacute deacutelky jako Tx respektive Rx vinutiacute Rozmeziacute pohybu kontaminantu bylo od -230 mm
do 230 mm vůči Tx vinutiacute s krokem 20 mm Obdeacutelniacuteky v okoliacute Tx vinutiacute byly vytvořeny za
uacutečelem možnosti zjemněniacute vyacutepočetniacute siacutetě v prostoru Tx a Rx vinutiacute Na obraacutezku 41 nejsou
namodelovaacuteny Rx ciacutevky neboť hodnota naindukovaneacuteho napětiacute byla ziacuteskaacutevaacutena v pěti
různyacutech vyacuteškovyacutech poziciacutech a bylo hodnoceno indukovaneacute napětiacute Ui
Obr 41 Zaacutekladniacute geometrie
nerezovyacute kryt
vodiče Tx vinutiacute
kontaminant
obdeacutelniacuteky vzduchoveacuteho okoliacute s jemnějšiacute vyacutepočetniacute siacutetiacute střed souřadneacuteho
systeacutemu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
29
411 Preprocessing - p řiacuteprava skriptu Nejprve bylo nutneacute zjistit geometrickeacute rozměry a materiaacuteloveacute konstanty zkoumaneacuteho
detektoru Geometrickeacute rozměry byly ziacuteskaacuteny z databaacuteze Solidworks modelů společnosti
Loma Systems sro V kapitole 71 je uacuteryvek APDL skriptu pro tvorbu geometrie
Materiaacutely použiteacute v modelu jsou vzduch vodiče Tx vinutiacute nerezovyacute obal detektoru a
materiaacutely kontaminantů V raacutemci zjednodušeniacute modelu nebyly uvažovaacuteny PVC izolace Tx
vinutiacute samotneacute Tufneloveacute jaacutedro a materiaacutel s niacutemž je prostor mezi jaacutedrem a nerezovyacutem
krytem vyplněn neboť tyto materiaacutely vykazujiacute z pohledu šiacuteřeniacute elektromagnetickeacuteho pole
stejneacute vlastnosti jako vzduch Konkreacutetniacute hodnoty materiaacutelovyacutech konstant viz tabulka 41
odpor Tx vinutiacute nebyl uvažovaacuten neboť jeho plochy byly zatiacuteženy definovanou proudovou
hustotou tudiacutež neniacute možneacute uvažovat přiacutepadně naindukovaneacute viacuteřiveacute proudy Daacutele bylo nutneacute
zvolit a spraacutevně nastavit použiteacute elementy modelu
Tab 41 Materiaacuteloveacute vlastnosti
měrnaacute
permeabilita [-] měrnyacute elektrickyacute
odpor [Ωm]
vzduch 1 -
Tx vinutiacute 1 -
nerezovaacute ocel (ANSI 304 DIN 14301)
1008 [10] 72010-7
neželeznyacute kontaminant (mosaz)
1 75010-8
železnyacute kontaminant (chromovaacute ocel)
400 12010-7
nerezovyacute kontaminant (ANSI 304 DIN 14301) 1008 72010-7
Jako elementy daneacuteho modelu byly zvoleny elementy PLANE53 určeneacute pro řešeniacute
magnetickeacuteho pole Jednaacute se o osmi uzloveacute elementy ktereacute mohou miacutet až čtyři stupně
volnosti na uzel Stupně volnosti mohou byacutet magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel (AZ) časově
integrovanyacute elektrickyacute skalaacuterniacute potenciaacutel (VOLT) elektrickyacute proud (CURR) a
elektromotorickaacute siacutela (EMF) [6] Geometrie elementu na obr 42
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
30
Obr 42 Geometrie elementu PLANE53 [6]
Uacuteryvek koacutedu v kapitole 72 obsahuje definovaacuteniacute materiaacutelovyacutech vlastnostiacute definovaacuteniacute
elementů a jejich nastaveniacute V dalšiacute časti bylo nutneacute jednotliveacute materiaacutely a elementy přiřadit
danyacutem plochaacutem
Daacutele bylo zapotřebiacute nastavit atributy pro automatickeacute siacuteťovaacuteniacute oblasti Je nutneacute aby v
tenkyacutech a malyacutech plochaacutech byla vyššiacute hustota siacutetě než na velkyacutech plochaacutech kde postačuje siacuteť
řidšiacute Velmi důležitaacute je kompatibilita siacutetě proto byla v okoliacute Tx vodičů vytvořena
obdeacutelniacutekovaacute oblast s hustšiacute siacutetiacute viz uacuteryvek koacutedu v přiacuteloze 73
Obr 43 Detailniacute pohled na siacuteť elementů
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
31
V posledniacute čaacutesti preprocessingu byla definovaacutena Dirichletova okrajovaacute podmiacutenka
udaacutevajiacuteciacute magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel roven nule na vnějšiacute hrany vzduchoveacuteho okoliacute a
průběh budiacuteciacute proudoveacute hustoty v Tx vodičiacutech V horniacutem a dolniacutem vodiči měly toky opačnyacute
smysl proto bylo nutneacute vytvořit dva vektory hodnot J1 (obr 44) a mJ1 V posledniacute řadě bylo
provedeno přiřazeniacute průběhů k plochaacutem viz kapitola 74
Obr 44 Průběh proudoveacute hustoty v ploše Tx vodiče
Ansys byl do Solution modu přepnut přiacutekazem SOL kde se provedlo nastaveniacute
analyacutezy a byl spuštěn vyacutepočet viz kapitola 76
412 Postprocessing - ziacuteskaacutevaacuteniacute vyacutesledk ů Ciacutelem teacuteto čaacutesti bylo zjištěniacute průběhů naindukovanyacutech napětiacute Ui v zaacutevislosti na čase
pro různeacute vyacuteškoveacute pozice přijiacutemaciacutech ciacutevek Rx Pro indukovaneacute napětiacute platiacute vztah
( )Vndt
dU i sdotΦminus= (43)
kde
( )TdxBlx
x
Yint sdotsdot=Φ2
1
(44)
n počet zaacutevitů Rx vinutiacute
l deacutelka Rx vinutiacute ve směru osy Z
x1 a x2 šiacuteřka Rx vinutiacute ve směru osy X
BY složka magnetickeacute indukce v ose Y
Zadaacuteniacutem souřadnic dvou bodů se nadefinovala uacutesečka (cesta) na kterou byly s určityacutem
J (Am-2)
kroky vyacutepočtu (-)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
32
krokem zaznamenaacuteny hodnoty magnetickeacute indukce BY Průběh BY v zaacutevislosti na souřadnici X
je na obr 45
Obr 45 Průběh magnetickeacute indukce BY v zaacutevislosti na souřadnici X
Obr 46 Průběh magnetickeacuteho toku Φ v zaacutevislosti na souřadnici X
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
33
Integrovaacuteniacutem průběhu BY se ziacuteskal průběh magnetickeacuteho indukčniacuteho toku Φ obr 46
Magnetickyacute indukčniacute tok Φ je roven určiteacutemu integraacutelu (rovnice 44) průběhu BY obr 45 Z
toho vyplyacutevaacute že magnetickyacute indukčniacute tok je roven posledniacute hodnotě průběhu na obr 46
Tato hodnota se vynaacutesobila deacutelkou Rx vinutiacute Postup vyacutepočtu se opakoval pro všechny pozice
Rx vinutiacute a to v každeacutem kroku transientniacute analyacutezy Tiacutem se ziacuteskala zaacutevislost magnetickeacuteho
indukčniacuteho toku Φ na čase t V programu MS Excel se vynaacutesobil tok počtem zaacutevitů Rx vinutiacute
a byla provedena derivace podle času (rovnice 43) Takto byly zpracovaacuteny vyacutesledky pro
všechny pozice kontaminantu vůči Tx vinutiacute APDL skript pro ziacuteskaacutevaacuteniacute hodnot viz kapitola
76 a v kapitole 77 je vyacutepis makra ktereacute uklaacutedaacute hodnoty do souboru
413 Hodnoceniacute vyacutesledk ů Vypočteneacute hodnoty Ui ve všech pěti vyacuteškovyacutech poziciacutech hrx byly vyneseny do grafů v
zaacutevislosti na čase Pokud se vynesou do jednoho grafu průběhy indukovanyacutech napětiacute pro
každou pozici kontaminantu v daneacute vyacutešce lze sledovat odezvu indukovaneacuteho napětiacute na
polohu kontaminantu Jelikož byly provedeny tři seacuterie vyacutepočtů s různyacutemi kontaminanty lze
porovnat i tvary přijiacutemanyacutech signaacutelu pro jednotliveacute materiaacutely Ciacutelem teacuteto čaacutesti je porovnat
signaacutely ziacuteskaacutevaneacute v různyacutech vyacuteškovyacutech polohaacutech Rx vinutiacute a vybrat nejvhodnějšiacute signaacutel pro
detekci
Na naacutesledujiacuteciacutech grafech jsou znaacutezorněny napěťoveacute průběhy během jedneacute periody v
zaacutevislosti na poloze kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
34
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 47 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 48 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
35
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 49 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 410 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
36
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 411 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 5)
Na obraacutezciacutech 47 až 411 jsou zobrazeny průběhy odpoviacutedajiacuteciacute průchodu železneacuteho
kontaminantu s relativniacute permeablitou 400 a měrnyacutem elektrickyacutem odporem 10210-7 Ωm Na
průběziacutech 47 48 a 411 lze pozorovat sice nižšiacute hodnotu signaacutelu ale celkovaacute deformace
během průchodu kontaminantu je většiacute
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 412 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
37
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 413 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 414 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
38
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 415 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 416 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce5)
Na obraacutezciacutech 412 až 416 jsou zobrazeneacute průběhy odpoviacutedajiacuteciacute průchodu kontaminantu z
nerezu ANSI 304 s relativniacute permeablitou 1008 a měrnyacutem elektrickyacutem odporem 7210-7
Ωm Při porovnaacuteniacute s předchoziacutem kontaminantem je změna signaacutelu nižšiacute což odpoviacutedaacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
39
předpokladům o obtiacutežnějšiacute detekci nerezovyacutech kontaminantů
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 417 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 418 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
40
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 419 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 420 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
41
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 421 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 5)
Na obraacutezciacutech 417 až 421 jsou zobrazeny průběhy odpoviacutedajiacuteciacute neželezneacutemu
kontaminantu (mědi) s parametry relativniacute permeablita 1 a měrnyacute elektrickyacute odpor 7510-8
Ωm Průběh signaacutelu je velmi podobnyacute signaacutelům nerezoveacuteho kontaminantu
Porovnaacuteniacutem všech grafů (obr 47 - obr 422) je obecně vidět že u průběhů ve vyacutešce
3 a 4 je zisk signaacutelu pro všechny modelovaneacute kontaminanty největšiacute Dochaacuteziacute zde ale ke
změně amplitudy pouze v jednom smyslu což z hlediska vyhodnocovaciacutech algoritmů zlepšeniacute
detekce vylučuje Naproti tomu je u signaacutelu ve vyacutešce 5 znatelně vyššiacute amplituda než v
použiacutevaneacute vyacutešce 2 Na zaacutekladě tohoto zjištěniacute bude zhotoven prototyp detektoru za uacutečelem
ověřeniacute teoretickyacutech vyacutesledků
Na obraacutezku 422 je ukaacutezka grafickeacuteho vyacutestupu zobrazujiacuteciacuteho vektory proudoveacute
hustoty naindukovaneacute v nerezoveacutem krytu a v kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
42
Obr 422 Vektory proudovyacutech hustot naindukovanyacutech do kontaminantu a nerezoveacuteho krytu
Obraacutezek 423 zobrazuje kontury magnetickeacuteho pole ve stejneacutem časoveacutem kroku jako obr
422 Pole ktereacute je konturami zobrazeno je tvořeno praacutevě proudovou hustotou obr 422 Je
zde možneacute pozorovat jak se pole deformuje přiacutetomnyacutem kontaminantem
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
43
Obr 423 Kontury magnetickeacuteho vektoroveacuteho potenciaacutelu s viditelnou deformaciacute pole způsobenou
feromagnetickyacutem kontaminantem
42 Vyšet řovaacuteniacute množstviacute vyza řovaneacute energie V teacuteto čaacutesti se vychaacutezelo z předpokladu že intenzita elektromagnetickeacuteho pole uvnitř
detektoru je mnohem většiacute než elektromagnetickyacute šum kteryacute do detektoru vnikaacute z okoliacute
Proto lze předpoklaacutedat že rušeniacute bude způsobeno předevšiacutem deformaciacute vlastniacuteho
vyzařovaneacuteho pole v bliacutezkeacutem okoliacute detektoru To vede ke snaze snižovat množstviacute vlastniacuteho
vyzaacuteřeneacuteho pole ven z detektoru aby nemohlo byacutet deformovaacuteno okolniacutemi předměty
421 Řešeniacute probleacutemu Bylo porovnaacuteno pět variant detektorů bez průchodu kontaminantu Každaacute varianta se
řešila jedniacutem vyacutepočtem z čehož plyne malaacute časovaacute naacuteročnost a proto byly probleacutemy řešeny
bez využitiacute symetrie Prvniacute byl staacutevajiacuteciacute detektor o tloušťce kryciacuteho nerezoveacuteho plechu 3 mm
druhyacute byl stejneacute geometrie ale za použitiacute silnějšiacuteho 5 mm tlusteacuteho nerezu Třetiacute typ měl
tloušťku 3 mm ale na horniacute a dolniacute stěně bylo přidaacuteno dalšiacute stiacuteněniacute z nerezu ve tvaru T (obr
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
44
426) Posledniacute dva naacutevrhy měly pravouacutehlyacute tvar krytu celkově menšiacutech rozměrů z nichž jeden
byl jednoduchyacute o tloušťce 3 mm (obr 427) a druhyacute měl shora a zdola dvojiteacute dno z nerezu
tloušťky 3 mm (obr_428) Touto metodou by se dalo porovnaacutevat mnohem většiacute množstviacute
provedeniacute ktereacute by se mohly lišit i použityacutem materiaacutelem Vzduchoveacute okoliacute detektoru bylo
rozděleno na čtyři sektory v nichž se sečetly hodnoty magnetickeacute energie jednotlivyacutech
elementů v každeacutem kroku analyacutezy a tiacutem se ziacuteskal průběh množstviacute energie v daneacutem prostoru
na čase Objemovaacute hustota magnetickeacute energie byla zjišťovaacutena ve všech plochaacutech daneacute
geometrie a bylo možno sledovat jak se energie v čase přemisťuje
Obr 424 Geometrie varianty 3 mm
Obr 425 Geometrie varianty 5 mm
Obr 426 Geometrie varianty 3 mm-stineni
Obr 427 Geometrie varianty novy 1
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
45
Obr 428 Geometrie varianty novy 2
Přiacuteprava skriptů se od předchoziacutech vyacutepočtů lišila pouze v geometrii jinak byla
principiaacutelně stejnaacute Rozdiacutel byl však v čaacutesti post-processingu (ziacuteskaacutevaacuteniacute vyacutesledků) Aby bylo
možno přistupovat k jednotlivyacutem sektorům musel byacutet každyacute sektor definovaacuten vlastniacutem typem
elementů (elementy byly použity stejneacute jednaacute se pouze o čiacuteslovaacuteniacute) Byly použity osmkraacutet
elementy PLANE53
ET153 Tx vinuti ET253 prostor uvnitr detektoru ET353 nerezovy obal ET453 detekcni prostor ET553 vzduchove okoli - horni ET653 vzduchove okoli - pravy ET753 vzduchove okoli - dolni ET853 vzduchove okoli - levy
Přiacuteklad načiacutetaacuteniacute vyacutesledků pro jeden typ elementů
POST1 prepnutiacute do postprocesoru allsel oznaceni vsech elementu vytvoreni pole pro ukadani hodnot DIMenergie1TABLEkroku11timeE zapsani nulovych hodnot na zacatek vektoru vysledku energie1(00)=0 energie1(01)=0 cyklus ve kterem se nacitaji vysledky jednotlivych kroku simulace doi1kroku1 APPEND 1 i nacteni daneho kroku eseltype1 vybrani elementu typu 1 GET e_count1 ELEM count vraci mnozstvi elementu daneho typu GET e_next ELEM 0 NXTH vraci nejnizsi adresu elementu daneho typu v promenne e_next energ1=0 vynulovani promenne cyklus ktery postupne prochazi vsechy elementy daneho typu doj1e_count11 GET e_energ1 ELEM e_next SENE ulozi do promene e_energ1 mnozstvi energie v elementu s adresou e_next
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
46
GET e_next ELEM e_next NXTH posune adresu elementu o jedna energ1=energ1+e_energ1 pricte mnozstvi energie e_energ1 do kumulativni promnenne energ1 enddo konec vnitrniho cyklu energie1(i0)=i zapise do pole vysledku cislu jirju simulace energie1(i1)=energ1 zapise do pole vysledku mnozstvi energie v cele plose s elementy daneho typu enddo konec vnejsiho cyklu zapis_energ zavolani makra pro zapis vysledku do souboru
422 Hodnoceniacute vyacutesledk ů V jednotlivyacutech sektorech se provedla suma magnetickeacute energie pro každyacute krok
simulace Vyacutesledkem jsou průběhy množstviacute energie v daneacute ploše v zaacutevislosti na krociacutech
simulace (čase) Jednotliveacute varianty byly hodnoceny na zaacutekladě porovnaacuteniacute průběhů se
staacutevajiacuteciacutem detektorem
Energie v Tx vinutiacute
000E+00
100E-03
200E-03
300E-03
400E-03
500E-03
600E-03
700E-03
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 429 Energie v Tx vinutiacute
Na grafu (obr 429) je vidět že množstviacute energie v Tx vinutiacute neniacute zaacutevisleacute na geometrii a je
daacuteno budiacuteciacutem signaacutelem v Tx vinutiacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
47
Energie unit ř detektoru
000E+00
200E-02
400E-02
600E-02
800E-02
100E-01
120E-01
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 430 Energie uvnitř detektoru
Na obr 430 je znaacutezorněno množstviacute energie v prostoru detektoru do ktereacuteho neniacute
započiacutetaacutena detekčniacute oblast ta je zobrazena na obr 432 V teacuteto čaacutesti neniacute pozorovaacutena žaacutednaacute
vyacuteraznaacute změna
Energie v nerezoveacutem obalu
000E+00
500E-05
100E-04
150E-04
200E-04
250E-04
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 431 Energie v nerezoveacutem obalu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
48
Vyacuteraznějšiacute změny se odehraacutevajiacute v nerezoveacutem obalu Nejmenšiacute množstviacute energie je v klasickeacute
3 mm tlusteacute a v 5 mm tlusteacute variantě U klasickeacute varianty se stiacuteněniacutem a u novyacutech naacutevrhů je
naacuterůst způsoben přibliacuteženiacutem nerezu k Tx vinutiacute
Energie v prostoru detek čniacuteho otvoru
000E+00
500E-03
100E-02
150E-02
200E-02
250E-02
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 432 Energie v prostoru detekčniacuteho otvoru
V oblasti detekčniacuteho otvoru je snaha o uchovaacuteniacute co největšiacuteho množstviacute energie neboť
zmenšeniacute energie vede ke sniacuteženiacute odezvy na kontaminant tedy ke sniacuteženiacute citlivosti detektoru
Z obr 432 je patrneacute že geometrickeacute uacutepravy detektoru (3 mm se stiacuteněniacutem novy 1 a novy 2)
vedou ke sniacuteženiacute množstviacute energie v tomto prostoru
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
49
Energie v horniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
100E-07
200E-07
300E-07
400E-07
500E-07
600E-07
700E-07
800E-07
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 433 Energie v horniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Energie v dolniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
100E-07
200E-07
300E-07
400E-07
500E-07
600E-07
700E-07
800E-07
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 434 Energie v dolniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Porovnajiacute-li se obr 433 a 434 je u variant 1 - 3 možneacute pozorovat rozdiacutely mezi horniacute a dolniacute
plochou Je zde na prvniacute pohled vidět jak horniacute oblouk snižuje množstviacute energie unikajiacuteciacute do
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
50
okoliacute Jako uacutečinneacute se z pohledu těchto sektorů jeviacute varianta klasickeacuteho detektoru se stiacuteněniacutem a
novyacute naacutevrh s dvojityacutemi stěnami
Energie v praveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
500E-06
100E-05
150E-05
200E-05
250E-05
300E-05
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 435 Energie v praveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Energie v leveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
500E-06
100E-05
150E-05
200E-05
250E-05
300E-05
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 436 Energie v leveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
51
Pravyacute a levyacute sektor je z důvodů symetrie stejnyacute na obrazciacutech 435 a 436 lze pozorovat tzv
metal free zoacutenu kteraacute se u detektorů udaacutevaacute Jednaacute se o prostor před a za detekčniacutem otvorem
ve ktereacutem se nesmiacute nachaacutezet žaacutednyacute kovovyacute materiaacutel (z důvodu ovlivňovaacuteniacute pole) snahou je
tuto zoacutenu co nejviacutece zmenšit Z grafů je patrneacute že novyacute naacutevrh s dvojityacutemi stěnami vykazuje
nejmenšiacute množstviacute energie v teacuteto oblasti Naopak u klasickeacute varianty se stiacuteněniacutem došlo k
vytlačeniacute pole z vnitřku detektoru praacutevě do těchto okolniacutech zoacuten
Na zaacutekladě těchto poznatků bude provedeno ověřeniacute na skutečnyacutech zařiacutezeniacutech Mezi
použitelneacute varianty připadaacute klasickaacute konstrukce doplněnaacute o stiacuteněniacute a novyacute naacutevrh s dvojityacutemi
stěnami U toho je však velkaacute hrozba sniacuteženiacute citlivosti způsobeneacute menšiacutem množstviacutem energie
v detekčniacutem prostoru
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
52
5 Zaacutevěr Ciacutelem předklaacutedaneacute praacutece je zlepšeniacute činnosti detektorů kovů přiacutepadně uacuteprava
technologie vyacuteroby při současneacutem sniacuteženiacute vyacuterobniacutech naacutekladů Předpokladem uacutespěšnyacutech
naacutevrhů byla podrobnaacute studie činnosti a principu těchto zařiacutezeniacute kteraacute jsou vyacuterobcem po
několik let uacutespěšně prodaacutevaacutena na světovyacutech trziacutech
Na zaacutekladě těchto požadavků byly provedeny některeacute testy ktereacute měly ověřit
předpoklaacutedanaacute zlepšeniacute Nejširšiacute možnosti přinaacutešiacute modelovaacuteniacute magnetickeacuteho pole
průmyslovyacutech detektorů počiacutetačovou simulaciacute kteraacute je zatiacutem schopna řešit zadaneacute probleacutemy
v dvourozměrneacutem prostoru Nejčastěji řešeneacute probleacutemy jsou staacutele spojeny se zaacutekladniacutem
principem činnosti těchto zařiacutezeniacute tj vlivem a působeniacutem kontaminantu na
elektromagnetickeacute pole buzeneacute ciacutevkami uvnitř detektoru a nepřiacuteznivyacute vliv vnějšiacutech rušivyacutech
poliacute např při současneacute činnosti sousedniacutech detektorů Dalšiacutem zdrojem rušivyacutech magnetickyacutech
poliacute může byacutet i činnost a přiacutetomnost různyacutech elektrickyacutech zařiacutezeniacute probleacutem spojenyacute s
vhodnyacutem materiaacutelem a tvarem stiacuteněniacute těchto zařiacutezeniacute
Vzhledem k maximaacutelniacute citlivosti elektronickyacutech obvodů a požadovaneacute pečlivosti při
balancovaacuteniacute (vyvažovaacuteniacute) se vyskytuje probleacutem kteryacute souvisiacute se staacutelostiacute nastaveniacute detektoru
při mechanickeacutem otřesu přiacutepadně odstraněniacute změn ke kteryacutem dochaacuteziacute vlivem dopravy
Dalšiacutem plaacutenovanyacutem krokem je namodelovaacuteniacute probleacutemu v trojrozměrneacutem prostoru od
ktereacuteho je očekaacutevaacuteno zohledněniacute dalšiacutech vlivů a tiacutem zpřesněniacute samotneacuteho vyacutesledku
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
53
6 Použitaacute literatura [1] Internetoveacute straacutenky společnosti Loma Systems sro
httpwwwlomacom_czindexshtml
[2] Haacutejek J Jarchovskyacute Z Detektory kovů - naacutevod na stavbu nakladatelstviacute BEN Praha
2010
[3] Beneda L Detektory kovů bakalaacuteřskaacute praacutece ZČU Plzeň 2010
[4] Internetoveacute straacutenky společnosti Ad controls sro
httpwwwadcontrolsczdetektory_kovu_zakladni_pojmy
[5] KOVOHUTĚ ROKYCANY as COMTES FHT as MATEX sro Průběžnaacute
zpraacuteva k projektu FeNi - čj 1021207 - 32 za rok (2007 - 2009)
[6] Ansys Inc ANSYS HELP Release 130 Dokumentace k programu
[7] Karban P a kolektiv autorů Aplikace teoretickeacute elektrotechniky Skripta ZČU Plzeň
2011
[8] Benešovaacute Z Ulrych B Přiacuteručka pro použitiacute programů ve vyacuteuce teorie
elektromagnetickeacuteho pole Skripta ZČU Plzeň 1997
[9] Loma Systems sro Knowledge Base - Interniacute dokumentace společnosti
[10] Internetoveacute straacutenky společnosti Aerospace specification metals Inc
httpasmmatwebcomsearchSpecificMaterialaspbassnum=MQ304A
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
1
7 Přiacutelohy
71 Tvorba geometrie PREP7 prepnuti do rezimu preprocesingu jj=8 index polohy kontaminantu r1=05e-3 polomer Tx vodice 05 mm r2=15e-3 polomer kontaminantu 15 mm c=90e-3 sirka Rx civek h=1767e-3 vzdalenost mezi Tx vinutim hrx=(h2)+526e-3 zakladni vyskova poloha mezi Rx civkami hss=175e-3 vyska nerezoveho krytu wss=150e-3 sirka nerezoveho krytu tss=3e-3 tloustka nerezove steny hd=h-227e-3 vyska detekcniho otvoru wok=1000e-3 sirka vzduchoveho okoli hok=1000e-3 vyska vzduchoveho okoli wkon=(-250e-3)+(jj20e-3) poloha kontaminantu na ose X tvorba geometrickych bodu nerezoveho krytu K1022589e-30 K2022185e-30 K3-7907e-321208e-30 K4-78e-32085e-30 K57907e-321208e-30 K678e-32085e-30 K7-wsshss0 K8-wss+tsshss-tss0 K9wsshss0 K10wss-tsshss-tss0 K11-wss-hss0 K12-wss+tss-hss+tss0 K13wss-hss0 K14wss-tss-hss+tss0 vytvoreni ploch definovanymi body FLST273 FITEM27 FITEM23 FITEM21 FITEM25 FITEM29 FITEM213 FITEM211 AP51X FLST273 FITEM28 FITEM24 FITEM22 FITEM26 FITEM210 FITEM214 FITEM212 AP51X CYL40h2r1 plocha horniho Tx vodice CYL40-h2r1 ploch dolniho Tx vodice BLC50((h2)+hrx)2100e-310e-3 plocha horniho vzduchoveho okoli Tx vodice BLC50-((h2)+hrx)2100e-310e-3 plocha dolniho vzduchoveho okoli Tx vodice BLC5002wsshd plocha detekcniho ootvoru APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch odstraneni ploch ktere budou sjednoceny se vzduchovym okolim
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
2
FLST255ORDE4 FITEM210 FITEM2-12 FITEM215 FITEM218 ADELEP51X BLC500wokhok vytvoreni plochy vzduchoveho okoli APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch CYL4wkon0r2 vytvoreni plochy kontaminantu APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch konec tvorby geometrickeho modelu
72 Definice element ů materiaacutel ů a jejich p řiřazeniacute k plochaacutem definovani materialu MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX11 material 1 Tx permeabilita 1 MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX21 material 2 Air permeabilita 1 MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX31008 material 3 nerezovy kryt SS ANSI 304 permeabilita MPTEMP MPTEMP10 MPDATARSVX372e-7 material 3 nerezoovy kryt SS Ansi 304 rezistivita MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX4400 material 4 Kontaminant permeabilita MPTEMP MPTEMP10 MPDATARSVX4102e-7 material 4 Kontaminant rezistivita definovani elementu ET153 Tx civky ET253 Vzduch ET353 nerezovy kryt ET453 kontaminant nastaveni elementu KEYOPT110 Tx civky KEYOPT120 KEYOPT130 KEYOPT140 KEYOPT150 KEYOPT170 KEYOPT210 Air KEYOPT220 KEYOPT230 KEYOPT240 KEYOPT250 KEYOPT270 KEYOPT310 SS KEYOPT320 KEYOPT330 KEYOPT340 KEYOPT350
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
3
KEYOPT370 KEYOPT410 kontaminant KEYOPT420 KEYOPT430 KEYOPT440 KEYOPT450 KEYOPT470 prirazeni elementu a materialum k plocham FLST525ORDE2 Tx FITEM58 FITEM5-9 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 1 1 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 FLST535ORDE3 Air FITEM53 FITEM516 FITEM5-17 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 2 2 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 FLST525ORDE2 SS FITEM513 FITEM5-14 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 3 3 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 CM_YAREA kontaminant ASEL 1 CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 4 4 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
4
73 Siacuteťovaacuteniacute oblastiacute FLST275ORDE7 FITEM21 FITEM28 FITEM2-9 FITEM213 FITEM2-14 FITEM216 FITEM2-17 AESIZEP51X00005 nastaveni delky steny elementu 00005 m FLST215ORDE1 FITEM23 AESIZEP51X001 nastaveni delky steny elementu 001 m MSHAPE12D nastaveni 2D trojuhelnikove site MSHKEY0 FLST585ORDE8 FITEM51 FITEM53 FITEM58 FITEM5-9 FITEM513 FITEM5-14 FITEM516 FITEM5-17 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CHKMSHAREA CMSELS_Y AMESH_Y1 spusteni automatickeho sitovani CMDELE_Y CMDELE_Y1 CMDELE_Y2
74 Okrajovaacute podmiacutenka a nastaveniacute budiciacuteho pr ůběhu okrajova podminka FLST244ORDE4 FITEM214 FITEM212 FITEM27 FITEM25 DLP51X AZ0 nastaveni zatizeni parametry budici proudove hustoty f=35e3 frekvence signalu [Hz] part=600 pocet kroku signalu T_min=0 pocatek casove osy T_max=1f konec casove osy dt=T_maxpart casovy krok parametry prudove hustoty pi=4atan(1) s=pir12 I=600sqrt(2) N1=1 J1_a=IN1s definovani vzestupne casti pulsu tau=3 DIMJexTABLE5011timeJ Jex(11)=0
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
5
Jex(10)=0 doi2501 Jex(i1)=(J1_a)(1-exp(-itau)) Jex(i0)=(i) enddo definovani sestupne casti pulsu tau=3 DIMJex1TABLE5011timeJ Jex1(11)=J1_a Jex1(10)=0 doi2501 Jex1(i1)=(J1_a)(exp(-itau)) Jex1(i0)=(i) enddo sestaveni celeho pulsu DIMJex2TABLE10011timeJ Jex2(11)=0 Jex2(10)=0 doi2501 Jex2(i1)=Jex(i1) Jex2(i0)=(i) enddo doi511001 Jex2(i1)=Jex1(i-501) Jex2(i0)=(i) enddo priprava nulovych vektoru kladneho a zaporneho prubehu J DIMJ1TABLE60011timeJ DIMmJ1TABLE60011timeJ doi16001 J1(i0)=(i-1)dt time J1(i1)=0 J mJ1(i0)=(i-1)dt time mJ1(i1)=0 -J enddo vlozeni prvniho pulsu doi11001 J1(i1)=Jex2(i1) mJ1(i1)=-Jex2(i1) enddo vlozeni druheho pulsu doi3004001 J1(i1)=-Jex2(i-3001) mJ1(i1)=Jex2(i-3001) enddo prirazeni prubehu k plocham PREP7 FLST215ORDE1 FITEM28 BFAP51XJSJ1 FLST215ORDE1 FITEM29 BFAP51XJSmJ1
75 Nastaveniacute analyacutezy SOL prepnuti do Solution modu - nastaveni analyzy kroku=300 pocet kroku simulace ANTYPE4 TRNOPTFULL
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
6
NSUBSTkroku00 OUTRESERASE OUTRESALL1 TIMET_max solve spusti vypocet ulohy
76 Postprocessing POST1 prepne do Preprocesing modu krokyb=200 pocet kroku na delku coilgapu L=03 delka Rx snimace hrx1=(h2)+10e-3 jednotlive vyskove pozice Rx vinuti hrx2=(h2)+526e-3 hrx3=(h2) hrx4=((h2)-526e-3) hrx5=((h2)-10e-3) vytvoreni pole hodnot - 10 sloupcu x 300 radku sloupce odpovidaji poctu jednotlivych civek 2x5 (5 poloh horni a dolni civka) DIMTOKTABLEkroku101SUBSTEP TOK(00)=0 TOK(01)=0 TOK(02)=0 TOK(03)=0 TOK(04)=0 TOK(05)=0 TOK(06)=0 TOK(07)=0 TOK(08)=0 TOK(09)=0 TOK(010)=0 dok1kroku1 hlavni cyklus pocet cyklu odpovida poctu kroku analyzy APPEND 1 k nacteni k-teho kroku analyzy tato cast kodu je nutna pro kazdou civku zvlast (10x se opakuje) PATHHORNI26krokyb-1 definovani cesty horni civky PPATH10-c2hrx10 levy koncovy bod PPATH20c2hrx10 pravy koncovy bod PDEF BYAVG namapovani Y-slozky magneticke indukce B PCALCINTGINT_HORBYXGL vypocet integralu z By podle dX PBCPATH 0 PAGETHORNI1_TABL ulozeni hodnot ziskanych na definovane ceste do pole HORNI1_ PADELALL smazani cesty i s hodnotamy (pole HORNI1_ zustava) konec opakujici se casti prirazovani posledni hodnoty integralu do prislusneho pole vysledku TOK(k0)=k casova osa TOK(k1)=HORNI1_(krokyb6) TOK(k2)=DOLNI1_(krokyb6) TOK(k3)=HORNI2_(krokyb6) TOK(k4)=DOLNI2_(krokyb6) TOK(k5)=HORNI3_(krokyb6) TOK(k6)=DOLNI3_(krokyb6) TOK(k7)=HORNI4_(krokyb6) TOK(k8)=DOLNI4_(krokyb6) TOK(k9)=HORNI5_(krokyb6) TOK(k10)=DOLNI5_(krokyb6) DELPRM_ smaze vsechny pole vysledku koncici znakem _ enddo konec cyklu zapis_tok odkaz na skript pro zapsani pole vysledku do souboru txt
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
7
77 Makro Vyacutepis makra ktereacute uklaacutedaacute hodnoty do souboru tok_fitxt
MWRITETOK(111)tok_fitxt vytvori soubor tok_fitxt a ulozi do
nej matici vysletku TOK
(10E135) urcuje format zapisu hodnot - 10
sloupcu cisel o celkove delce 13ti
znaku z toho 5 za desetinou teckou
CFCLOS uzavre soubor
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
8
Eviden čniacute list
Souhlasiacutem s tiacutem aby moje bakalaacuteřskaacute praacutece byla půjčovaacutena k prezenčniacutemu studiu v
Univerzitniacute knihově ZČU v Plzni
Datum Podpis
Uživatel stvrzuje svyacutem čitelnyacutem podpisem že tuto bakalaacuteřskou praacuteci použil ke studijniacutem
uacutečelům a prohlašuje že ji uvede mezi použityacutemi prameny
Jmeacuteno Fakultakatedra Datum Podpis
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
29
411 Preprocessing - p řiacuteprava skriptu Nejprve bylo nutneacute zjistit geometrickeacute rozměry a materiaacuteloveacute konstanty zkoumaneacuteho
detektoru Geometrickeacute rozměry byly ziacuteskaacuteny z databaacuteze Solidworks modelů společnosti
Loma Systems sro V kapitole 71 je uacuteryvek APDL skriptu pro tvorbu geometrie
Materiaacutely použiteacute v modelu jsou vzduch vodiče Tx vinutiacute nerezovyacute obal detektoru a
materiaacutely kontaminantů V raacutemci zjednodušeniacute modelu nebyly uvažovaacuteny PVC izolace Tx
vinutiacute samotneacute Tufneloveacute jaacutedro a materiaacutel s niacutemž je prostor mezi jaacutedrem a nerezovyacutem
krytem vyplněn neboť tyto materiaacutely vykazujiacute z pohledu šiacuteřeniacute elektromagnetickeacuteho pole
stejneacute vlastnosti jako vzduch Konkreacutetniacute hodnoty materiaacutelovyacutech konstant viz tabulka 41
odpor Tx vinutiacute nebyl uvažovaacuten neboť jeho plochy byly zatiacuteženy definovanou proudovou
hustotou tudiacutež neniacute možneacute uvažovat přiacutepadně naindukovaneacute viacuteřiveacute proudy Daacutele bylo nutneacute
zvolit a spraacutevně nastavit použiteacute elementy modelu
Tab 41 Materiaacuteloveacute vlastnosti
měrnaacute
permeabilita [-] měrnyacute elektrickyacute
odpor [Ωm]
vzduch 1 -
Tx vinutiacute 1 -
nerezovaacute ocel (ANSI 304 DIN 14301)
1008 [10] 72010-7
neželeznyacute kontaminant (mosaz)
1 75010-8
železnyacute kontaminant (chromovaacute ocel)
400 12010-7
nerezovyacute kontaminant (ANSI 304 DIN 14301) 1008 72010-7
Jako elementy daneacuteho modelu byly zvoleny elementy PLANE53 určeneacute pro řešeniacute
magnetickeacuteho pole Jednaacute se o osmi uzloveacute elementy ktereacute mohou miacutet až čtyři stupně
volnosti na uzel Stupně volnosti mohou byacutet magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel (AZ) časově
integrovanyacute elektrickyacute skalaacuterniacute potenciaacutel (VOLT) elektrickyacute proud (CURR) a
elektromotorickaacute siacutela (EMF) [6] Geometrie elementu na obr 42
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
30
Obr 42 Geometrie elementu PLANE53 [6]
Uacuteryvek koacutedu v kapitole 72 obsahuje definovaacuteniacute materiaacutelovyacutech vlastnostiacute definovaacuteniacute
elementů a jejich nastaveniacute V dalšiacute časti bylo nutneacute jednotliveacute materiaacutely a elementy přiřadit
danyacutem plochaacutem
Daacutele bylo zapotřebiacute nastavit atributy pro automatickeacute siacuteťovaacuteniacute oblasti Je nutneacute aby v
tenkyacutech a malyacutech plochaacutech byla vyššiacute hustota siacutetě než na velkyacutech plochaacutech kde postačuje siacuteť
řidšiacute Velmi důležitaacute je kompatibilita siacutetě proto byla v okoliacute Tx vodičů vytvořena
obdeacutelniacutekovaacute oblast s hustšiacute siacutetiacute viz uacuteryvek koacutedu v přiacuteloze 73
Obr 43 Detailniacute pohled na siacuteť elementů
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
31
V posledniacute čaacutesti preprocessingu byla definovaacutena Dirichletova okrajovaacute podmiacutenka
udaacutevajiacuteciacute magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel roven nule na vnějšiacute hrany vzduchoveacuteho okoliacute a
průběh budiacuteciacute proudoveacute hustoty v Tx vodičiacutech V horniacutem a dolniacutem vodiči měly toky opačnyacute
smysl proto bylo nutneacute vytvořit dva vektory hodnot J1 (obr 44) a mJ1 V posledniacute řadě bylo
provedeno přiřazeniacute průběhů k plochaacutem viz kapitola 74
Obr 44 Průběh proudoveacute hustoty v ploše Tx vodiče
Ansys byl do Solution modu přepnut přiacutekazem SOL kde se provedlo nastaveniacute
analyacutezy a byl spuštěn vyacutepočet viz kapitola 76
412 Postprocessing - ziacuteskaacutevaacuteniacute vyacutesledk ů Ciacutelem teacuteto čaacutesti bylo zjištěniacute průběhů naindukovanyacutech napětiacute Ui v zaacutevislosti na čase
pro různeacute vyacuteškoveacute pozice přijiacutemaciacutech ciacutevek Rx Pro indukovaneacute napětiacute platiacute vztah
( )Vndt
dU i sdotΦminus= (43)
kde
( )TdxBlx
x
Yint sdotsdot=Φ2
1
(44)
n počet zaacutevitů Rx vinutiacute
l deacutelka Rx vinutiacute ve směru osy Z
x1 a x2 šiacuteřka Rx vinutiacute ve směru osy X
BY složka magnetickeacute indukce v ose Y
Zadaacuteniacutem souřadnic dvou bodů se nadefinovala uacutesečka (cesta) na kterou byly s určityacutem
J (Am-2)
kroky vyacutepočtu (-)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
32
krokem zaznamenaacuteny hodnoty magnetickeacute indukce BY Průběh BY v zaacutevislosti na souřadnici X
je na obr 45
Obr 45 Průběh magnetickeacute indukce BY v zaacutevislosti na souřadnici X
Obr 46 Průběh magnetickeacuteho toku Φ v zaacutevislosti na souřadnici X
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
33
Integrovaacuteniacutem průběhu BY se ziacuteskal průběh magnetickeacuteho indukčniacuteho toku Φ obr 46
Magnetickyacute indukčniacute tok Φ je roven určiteacutemu integraacutelu (rovnice 44) průběhu BY obr 45 Z
toho vyplyacutevaacute že magnetickyacute indukčniacute tok je roven posledniacute hodnotě průběhu na obr 46
Tato hodnota se vynaacutesobila deacutelkou Rx vinutiacute Postup vyacutepočtu se opakoval pro všechny pozice
Rx vinutiacute a to v každeacutem kroku transientniacute analyacutezy Tiacutem se ziacuteskala zaacutevislost magnetickeacuteho
indukčniacuteho toku Φ na čase t V programu MS Excel se vynaacutesobil tok počtem zaacutevitů Rx vinutiacute
a byla provedena derivace podle času (rovnice 43) Takto byly zpracovaacuteny vyacutesledky pro
všechny pozice kontaminantu vůči Tx vinutiacute APDL skript pro ziacuteskaacutevaacuteniacute hodnot viz kapitola
76 a v kapitole 77 je vyacutepis makra ktereacute uklaacutedaacute hodnoty do souboru
413 Hodnoceniacute vyacutesledk ů Vypočteneacute hodnoty Ui ve všech pěti vyacuteškovyacutech poziciacutech hrx byly vyneseny do grafů v
zaacutevislosti na čase Pokud se vynesou do jednoho grafu průběhy indukovanyacutech napětiacute pro
každou pozici kontaminantu v daneacute vyacutešce lze sledovat odezvu indukovaneacuteho napětiacute na
polohu kontaminantu Jelikož byly provedeny tři seacuterie vyacutepočtů s různyacutemi kontaminanty lze
porovnat i tvary přijiacutemanyacutech signaacutelu pro jednotliveacute materiaacutely Ciacutelem teacuteto čaacutesti je porovnat
signaacutely ziacuteskaacutevaneacute v různyacutech vyacuteškovyacutech polohaacutech Rx vinutiacute a vybrat nejvhodnějšiacute signaacutel pro
detekci
Na naacutesledujiacuteciacutech grafech jsou znaacutezorněny napěťoveacute průběhy během jedneacute periody v
zaacutevislosti na poloze kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
34
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 47 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 48 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
35
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 49 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 410 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
36
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 411 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 5)
Na obraacutezciacutech 47 až 411 jsou zobrazeny průběhy odpoviacutedajiacuteciacute průchodu železneacuteho
kontaminantu s relativniacute permeablitou 400 a měrnyacutem elektrickyacutem odporem 10210-7 Ωm Na
průběziacutech 47 48 a 411 lze pozorovat sice nižšiacute hodnotu signaacutelu ale celkovaacute deformace
během průchodu kontaminantu je většiacute
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 412 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
37
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 413 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 414 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
38
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 415 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 416 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce5)
Na obraacutezciacutech 412 až 416 jsou zobrazeneacute průběhy odpoviacutedajiacuteciacute průchodu kontaminantu z
nerezu ANSI 304 s relativniacute permeablitou 1008 a měrnyacutem elektrickyacutem odporem 7210-7
Ωm Při porovnaacuteniacute s předchoziacutem kontaminantem je změna signaacutelu nižšiacute což odpoviacutedaacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
39
předpokladům o obtiacutežnějšiacute detekci nerezovyacutech kontaminantů
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 417 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 418 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
40
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 419 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 420 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
41
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 421 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 5)
Na obraacutezciacutech 417 až 421 jsou zobrazeny průběhy odpoviacutedajiacuteciacute neželezneacutemu
kontaminantu (mědi) s parametry relativniacute permeablita 1 a měrnyacute elektrickyacute odpor 7510-8
Ωm Průběh signaacutelu je velmi podobnyacute signaacutelům nerezoveacuteho kontaminantu
Porovnaacuteniacutem všech grafů (obr 47 - obr 422) je obecně vidět že u průběhů ve vyacutešce
3 a 4 je zisk signaacutelu pro všechny modelovaneacute kontaminanty největšiacute Dochaacuteziacute zde ale ke
změně amplitudy pouze v jednom smyslu což z hlediska vyhodnocovaciacutech algoritmů zlepšeniacute
detekce vylučuje Naproti tomu je u signaacutelu ve vyacutešce 5 znatelně vyššiacute amplituda než v
použiacutevaneacute vyacutešce 2 Na zaacutekladě tohoto zjištěniacute bude zhotoven prototyp detektoru za uacutečelem
ověřeniacute teoretickyacutech vyacutesledků
Na obraacutezku 422 je ukaacutezka grafickeacuteho vyacutestupu zobrazujiacuteciacuteho vektory proudoveacute
hustoty naindukovaneacute v nerezoveacutem krytu a v kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
42
Obr 422 Vektory proudovyacutech hustot naindukovanyacutech do kontaminantu a nerezoveacuteho krytu
Obraacutezek 423 zobrazuje kontury magnetickeacuteho pole ve stejneacutem časoveacutem kroku jako obr
422 Pole ktereacute je konturami zobrazeno je tvořeno praacutevě proudovou hustotou obr 422 Je
zde možneacute pozorovat jak se pole deformuje přiacutetomnyacutem kontaminantem
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
43
Obr 423 Kontury magnetickeacuteho vektoroveacuteho potenciaacutelu s viditelnou deformaciacute pole způsobenou
feromagnetickyacutem kontaminantem
42 Vyšet řovaacuteniacute množstviacute vyza řovaneacute energie V teacuteto čaacutesti se vychaacutezelo z předpokladu že intenzita elektromagnetickeacuteho pole uvnitř
detektoru je mnohem většiacute než elektromagnetickyacute šum kteryacute do detektoru vnikaacute z okoliacute
Proto lze předpoklaacutedat že rušeniacute bude způsobeno předevšiacutem deformaciacute vlastniacuteho
vyzařovaneacuteho pole v bliacutezkeacutem okoliacute detektoru To vede ke snaze snižovat množstviacute vlastniacuteho
vyzaacuteřeneacuteho pole ven z detektoru aby nemohlo byacutet deformovaacuteno okolniacutemi předměty
421 Řešeniacute probleacutemu Bylo porovnaacuteno pět variant detektorů bez průchodu kontaminantu Každaacute varianta se
řešila jedniacutem vyacutepočtem z čehož plyne malaacute časovaacute naacuteročnost a proto byly probleacutemy řešeny
bez využitiacute symetrie Prvniacute byl staacutevajiacuteciacute detektor o tloušťce kryciacuteho nerezoveacuteho plechu 3 mm
druhyacute byl stejneacute geometrie ale za použitiacute silnějšiacuteho 5 mm tlusteacuteho nerezu Třetiacute typ měl
tloušťku 3 mm ale na horniacute a dolniacute stěně bylo přidaacuteno dalšiacute stiacuteněniacute z nerezu ve tvaru T (obr
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
44
426) Posledniacute dva naacutevrhy měly pravouacutehlyacute tvar krytu celkově menšiacutech rozměrů z nichž jeden
byl jednoduchyacute o tloušťce 3 mm (obr 427) a druhyacute měl shora a zdola dvojiteacute dno z nerezu
tloušťky 3 mm (obr_428) Touto metodou by se dalo porovnaacutevat mnohem většiacute množstviacute
provedeniacute ktereacute by se mohly lišit i použityacutem materiaacutelem Vzduchoveacute okoliacute detektoru bylo
rozděleno na čtyři sektory v nichž se sečetly hodnoty magnetickeacute energie jednotlivyacutech
elementů v každeacutem kroku analyacutezy a tiacutem se ziacuteskal průběh množstviacute energie v daneacutem prostoru
na čase Objemovaacute hustota magnetickeacute energie byla zjišťovaacutena ve všech plochaacutech daneacute
geometrie a bylo možno sledovat jak se energie v čase přemisťuje
Obr 424 Geometrie varianty 3 mm
Obr 425 Geometrie varianty 5 mm
Obr 426 Geometrie varianty 3 mm-stineni
Obr 427 Geometrie varianty novy 1
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
45
Obr 428 Geometrie varianty novy 2
Přiacuteprava skriptů se od předchoziacutech vyacutepočtů lišila pouze v geometrii jinak byla
principiaacutelně stejnaacute Rozdiacutel byl však v čaacutesti post-processingu (ziacuteskaacutevaacuteniacute vyacutesledků) Aby bylo
možno přistupovat k jednotlivyacutem sektorům musel byacutet každyacute sektor definovaacuten vlastniacutem typem
elementů (elementy byly použity stejneacute jednaacute se pouze o čiacuteslovaacuteniacute) Byly použity osmkraacutet
elementy PLANE53
ET153 Tx vinuti ET253 prostor uvnitr detektoru ET353 nerezovy obal ET453 detekcni prostor ET553 vzduchove okoli - horni ET653 vzduchove okoli - pravy ET753 vzduchove okoli - dolni ET853 vzduchove okoli - levy
Přiacuteklad načiacutetaacuteniacute vyacutesledků pro jeden typ elementů
POST1 prepnutiacute do postprocesoru allsel oznaceni vsech elementu vytvoreni pole pro ukadani hodnot DIMenergie1TABLEkroku11timeE zapsani nulovych hodnot na zacatek vektoru vysledku energie1(00)=0 energie1(01)=0 cyklus ve kterem se nacitaji vysledky jednotlivych kroku simulace doi1kroku1 APPEND 1 i nacteni daneho kroku eseltype1 vybrani elementu typu 1 GET e_count1 ELEM count vraci mnozstvi elementu daneho typu GET e_next ELEM 0 NXTH vraci nejnizsi adresu elementu daneho typu v promenne e_next energ1=0 vynulovani promenne cyklus ktery postupne prochazi vsechy elementy daneho typu doj1e_count11 GET e_energ1 ELEM e_next SENE ulozi do promene e_energ1 mnozstvi energie v elementu s adresou e_next
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
46
GET e_next ELEM e_next NXTH posune adresu elementu o jedna energ1=energ1+e_energ1 pricte mnozstvi energie e_energ1 do kumulativni promnenne energ1 enddo konec vnitrniho cyklu energie1(i0)=i zapise do pole vysledku cislu jirju simulace energie1(i1)=energ1 zapise do pole vysledku mnozstvi energie v cele plose s elementy daneho typu enddo konec vnejsiho cyklu zapis_energ zavolani makra pro zapis vysledku do souboru
422 Hodnoceniacute vyacutesledk ů V jednotlivyacutech sektorech se provedla suma magnetickeacute energie pro každyacute krok
simulace Vyacutesledkem jsou průběhy množstviacute energie v daneacute ploše v zaacutevislosti na krociacutech
simulace (čase) Jednotliveacute varianty byly hodnoceny na zaacutekladě porovnaacuteniacute průběhů se
staacutevajiacuteciacutem detektorem
Energie v Tx vinutiacute
000E+00
100E-03
200E-03
300E-03
400E-03
500E-03
600E-03
700E-03
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 429 Energie v Tx vinutiacute
Na grafu (obr 429) je vidět že množstviacute energie v Tx vinutiacute neniacute zaacutevisleacute na geometrii a je
daacuteno budiacuteciacutem signaacutelem v Tx vinutiacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
47
Energie unit ř detektoru
000E+00
200E-02
400E-02
600E-02
800E-02
100E-01
120E-01
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 430 Energie uvnitř detektoru
Na obr 430 je znaacutezorněno množstviacute energie v prostoru detektoru do ktereacuteho neniacute
započiacutetaacutena detekčniacute oblast ta je zobrazena na obr 432 V teacuteto čaacutesti neniacute pozorovaacutena žaacutednaacute
vyacuteraznaacute změna
Energie v nerezoveacutem obalu
000E+00
500E-05
100E-04
150E-04
200E-04
250E-04
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 431 Energie v nerezoveacutem obalu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
48
Vyacuteraznějšiacute změny se odehraacutevajiacute v nerezoveacutem obalu Nejmenšiacute množstviacute energie je v klasickeacute
3 mm tlusteacute a v 5 mm tlusteacute variantě U klasickeacute varianty se stiacuteněniacutem a u novyacutech naacutevrhů je
naacuterůst způsoben přibliacuteženiacutem nerezu k Tx vinutiacute
Energie v prostoru detek čniacuteho otvoru
000E+00
500E-03
100E-02
150E-02
200E-02
250E-02
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 432 Energie v prostoru detekčniacuteho otvoru
V oblasti detekčniacuteho otvoru je snaha o uchovaacuteniacute co největšiacuteho množstviacute energie neboť
zmenšeniacute energie vede ke sniacuteženiacute odezvy na kontaminant tedy ke sniacuteženiacute citlivosti detektoru
Z obr 432 je patrneacute že geometrickeacute uacutepravy detektoru (3 mm se stiacuteněniacutem novy 1 a novy 2)
vedou ke sniacuteženiacute množstviacute energie v tomto prostoru
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
49
Energie v horniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
100E-07
200E-07
300E-07
400E-07
500E-07
600E-07
700E-07
800E-07
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 433 Energie v horniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Energie v dolniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
100E-07
200E-07
300E-07
400E-07
500E-07
600E-07
700E-07
800E-07
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 434 Energie v dolniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Porovnajiacute-li se obr 433 a 434 je u variant 1 - 3 možneacute pozorovat rozdiacutely mezi horniacute a dolniacute
plochou Je zde na prvniacute pohled vidět jak horniacute oblouk snižuje množstviacute energie unikajiacuteciacute do
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
50
okoliacute Jako uacutečinneacute se z pohledu těchto sektorů jeviacute varianta klasickeacuteho detektoru se stiacuteněniacutem a
novyacute naacutevrh s dvojityacutemi stěnami
Energie v praveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
500E-06
100E-05
150E-05
200E-05
250E-05
300E-05
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 435 Energie v praveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Energie v leveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
500E-06
100E-05
150E-05
200E-05
250E-05
300E-05
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 436 Energie v leveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
51
Pravyacute a levyacute sektor je z důvodů symetrie stejnyacute na obrazciacutech 435 a 436 lze pozorovat tzv
metal free zoacutenu kteraacute se u detektorů udaacutevaacute Jednaacute se o prostor před a za detekčniacutem otvorem
ve ktereacutem se nesmiacute nachaacutezet žaacutednyacute kovovyacute materiaacutel (z důvodu ovlivňovaacuteniacute pole) snahou je
tuto zoacutenu co nejviacutece zmenšit Z grafů je patrneacute že novyacute naacutevrh s dvojityacutemi stěnami vykazuje
nejmenšiacute množstviacute energie v teacuteto oblasti Naopak u klasickeacute varianty se stiacuteněniacutem došlo k
vytlačeniacute pole z vnitřku detektoru praacutevě do těchto okolniacutech zoacuten
Na zaacutekladě těchto poznatků bude provedeno ověřeniacute na skutečnyacutech zařiacutezeniacutech Mezi
použitelneacute varianty připadaacute klasickaacute konstrukce doplněnaacute o stiacuteněniacute a novyacute naacutevrh s dvojityacutemi
stěnami U toho je však velkaacute hrozba sniacuteženiacute citlivosti způsobeneacute menšiacutem množstviacutem energie
v detekčniacutem prostoru
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
52
5 Zaacutevěr Ciacutelem předklaacutedaneacute praacutece je zlepšeniacute činnosti detektorů kovů přiacutepadně uacuteprava
technologie vyacuteroby při současneacutem sniacuteženiacute vyacuterobniacutech naacutekladů Předpokladem uacutespěšnyacutech
naacutevrhů byla podrobnaacute studie činnosti a principu těchto zařiacutezeniacute kteraacute jsou vyacuterobcem po
několik let uacutespěšně prodaacutevaacutena na světovyacutech trziacutech
Na zaacutekladě těchto požadavků byly provedeny některeacute testy ktereacute měly ověřit
předpoklaacutedanaacute zlepšeniacute Nejširšiacute možnosti přinaacutešiacute modelovaacuteniacute magnetickeacuteho pole
průmyslovyacutech detektorů počiacutetačovou simulaciacute kteraacute je zatiacutem schopna řešit zadaneacute probleacutemy
v dvourozměrneacutem prostoru Nejčastěji řešeneacute probleacutemy jsou staacutele spojeny se zaacutekladniacutem
principem činnosti těchto zařiacutezeniacute tj vlivem a působeniacutem kontaminantu na
elektromagnetickeacute pole buzeneacute ciacutevkami uvnitř detektoru a nepřiacuteznivyacute vliv vnějšiacutech rušivyacutech
poliacute např při současneacute činnosti sousedniacutech detektorů Dalšiacutem zdrojem rušivyacutech magnetickyacutech
poliacute může byacutet i činnost a přiacutetomnost různyacutech elektrickyacutech zařiacutezeniacute probleacutem spojenyacute s
vhodnyacutem materiaacutelem a tvarem stiacuteněniacute těchto zařiacutezeniacute
Vzhledem k maximaacutelniacute citlivosti elektronickyacutech obvodů a požadovaneacute pečlivosti při
balancovaacuteniacute (vyvažovaacuteniacute) se vyskytuje probleacutem kteryacute souvisiacute se staacutelostiacute nastaveniacute detektoru
při mechanickeacutem otřesu přiacutepadně odstraněniacute změn ke kteryacutem dochaacuteziacute vlivem dopravy
Dalšiacutem plaacutenovanyacutem krokem je namodelovaacuteniacute probleacutemu v trojrozměrneacutem prostoru od
ktereacuteho je očekaacutevaacuteno zohledněniacute dalšiacutech vlivů a tiacutem zpřesněniacute samotneacuteho vyacutesledku
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
53
6 Použitaacute literatura [1] Internetoveacute straacutenky společnosti Loma Systems sro
httpwwwlomacom_czindexshtml
[2] Haacutejek J Jarchovskyacute Z Detektory kovů - naacutevod na stavbu nakladatelstviacute BEN Praha
2010
[3] Beneda L Detektory kovů bakalaacuteřskaacute praacutece ZČU Plzeň 2010
[4] Internetoveacute straacutenky společnosti Ad controls sro
httpwwwadcontrolsczdetektory_kovu_zakladni_pojmy
[5] KOVOHUTĚ ROKYCANY as COMTES FHT as MATEX sro Průběžnaacute
zpraacuteva k projektu FeNi - čj 1021207 - 32 za rok (2007 - 2009)
[6] Ansys Inc ANSYS HELP Release 130 Dokumentace k programu
[7] Karban P a kolektiv autorů Aplikace teoretickeacute elektrotechniky Skripta ZČU Plzeň
2011
[8] Benešovaacute Z Ulrych B Přiacuteručka pro použitiacute programů ve vyacuteuce teorie
elektromagnetickeacuteho pole Skripta ZČU Plzeň 1997
[9] Loma Systems sro Knowledge Base - Interniacute dokumentace společnosti
[10] Internetoveacute straacutenky společnosti Aerospace specification metals Inc
httpasmmatwebcomsearchSpecificMaterialaspbassnum=MQ304A
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
1
7 Přiacutelohy
71 Tvorba geometrie PREP7 prepnuti do rezimu preprocesingu jj=8 index polohy kontaminantu r1=05e-3 polomer Tx vodice 05 mm r2=15e-3 polomer kontaminantu 15 mm c=90e-3 sirka Rx civek h=1767e-3 vzdalenost mezi Tx vinutim hrx=(h2)+526e-3 zakladni vyskova poloha mezi Rx civkami hss=175e-3 vyska nerezoveho krytu wss=150e-3 sirka nerezoveho krytu tss=3e-3 tloustka nerezove steny hd=h-227e-3 vyska detekcniho otvoru wok=1000e-3 sirka vzduchoveho okoli hok=1000e-3 vyska vzduchoveho okoli wkon=(-250e-3)+(jj20e-3) poloha kontaminantu na ose X tvorba geometrickych bodu nerezoveho krytu K1022589e-30 K2022185e-30 K3-7907e-321208e-30 K4-78e-32085e-30 K57907e-321208e-30 K678e-32085e-30 K7-wsshss0 K8-wss+tsshss-tss0 K9wsshss0 K10wss-tsshss-tss0 K11-wss-hss0 K12-wss+tss-hss+tss0 K13wss-hss0 K14wss-tss-hss+tss0 vytvoreni ploch definovanymi body FLST273 FITEM27 FITEM23 FITEM21 FITEM25 FITEM29 FITEM213 FITEM211 AP51X FLST273 FITEM28 FITEM24 FITEM22 FITEM26 FITEM210 FITEM214 FITEM212 AP51X CYL40h2r1 plocha horniho Tx vodice CYL40-h2r1 ploch dolniho Tx vodice BLC50((h2)+hrx)2100e-310e-3 plocha horniho vzduchoveho okoli Tx vodice BLC50-((h2)+hrx)2100e-310e-3 plocha dolniho vzduchoveho okoli Tx vodice BLC5002wsshd plocha detekcniho ootvoru APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch odstraneni ploch ktere budou sjednoceny se vzduchovym okolim
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
2
FLST255ORDE4 FITEM210 FITEM2-12 FITEM215 FITEM218 ADELEP51X BLC500wokhok vytvoreni plochy vzduchoveho okoli APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch CYL4wkon0r2 vytvoreni plochy kontaminantu APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch konec tvorby geometrickeho modelu
72 Definice element ů materiaacutel ů a jejich p řiřazeniacute k plochaacutem definovani materialu MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX11 material 1 Tx permeabilita 1 MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX21 material 2 Air permeabilita 1 MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX31008 material 3 nerezovy kryt SS ANSI 304 permeabilita MPTEMP MPTEMP10 MPDATARSVX372e-7 material 3 nerezoovy kryt SS Ansi 304 rezistivita MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX4400 material 4 Kontaminant permeabilita MPTEMP MPTEMP10 MPDATARSVX4102e-7 material 4 Kontaminant rezistivita definovani elementu ET153 Tx civky ET253 Vzduch ET353 nerezovy kryt ET453 kontaminant nastaveni elementu KEYOPT110 Tx civky KEYOPT120 KEYOPT130 KEYOPT140 KEYOPT150 KEYOPT170 KEYOPT210 Air KEYOPT220 KEYOPT230 KEYOPT240 KEYOPT250 KEYOPT270 KEYOPT310 SS KEYOPT320 KEYOPT330 KEYOPT340 KEYOPT350
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
3
KEYOPT370 KEYOPT410 kontaminant KEYOPT420 KEYOPT430 KEYOPT440 KEYOPT450 KEYOPT470 prirazeni elementu a materialum k plocham FLST525ORDE2 Tx FITEM58 FITEM5-9 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 1 1 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 FLST535ORDE3 Air FITEM53 FITEM516 FITEM5-17 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 2 2 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 FLST525ORDE2 SS FITEM513 FITEM5-14 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 3 3 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 CM_YAREA kontaminant ASEL 1 CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 4 4 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
4
73 Siacuteťovaacuteniacute oblastiacute FLST275ORDE7 FITEM21 FITEM28 FITEM2-9 FITEM213 FITEM2-14 FITEM216 FITEM2-17 AESIZEP51X00005 nastaveni delky steny elementu 00005 m FLST215ORDE1 FITEM23 AESIZEP51X001 nastaveni delky steny elementu 001 m MSHAPE12D nastaveni 2D trojuhelnikove site MSHKEY0 FLST585ORDE8 FITEM51 FITEM53 FITEM58 FITEM5-9 FITEM513 FITEM5-14 FITEM516 FITEM5-17 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CHKMSHAREA CMSELS_Y AMESH_Y1 spusteni automatickeho sitovani CMDELE_Y CMDELE_Y1 CMDELE_Y2
74 Okrajovaacute podmiacutenka a nastaveniacute budiciacuteho pr ůběhu okrajova podminka FLST244ORDE4 FITEM214 FITEM212 FITEM27 FITEM25 DLP51X AZ0 nastaveni zatizeni parametry budici proudove hustoty f=35e3 frekvence signalu [Hz] part=600 pocet kroku signalu T_min=0 pocatek casove osy T_max=1f konec casove osy dt=T_maxpart casovy krok parametry prudove hustoty pi=4atan(1) s=pir12 I=600sqrt(2) N1=1 J1_a=IN1s definovani vzestupne casti pulsu tau=3 DIMJexTABLE5011timeJ Jex(11)=0
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
5
Jex(10)=0 doi2501 Jex(i1)=(J1_a)(1-exp(-itau)) Jex(i0)=(i) enddo definovani sestupne casti pulsu tau=3 DIMJex1TABLE5011timeJ Jex1(11)=J1_a Jex1(10)=0 doi2501 Jex1(i1)=(J1_a)(exp(-itau)) Jex1(i0)=(i) enddo sestaveni celeho pulsu DIMJex2TABLE10011timeJ Jex2(11)=0 Jex2(10)=0 doi2501 Jex2(i1)=Jex(i1) Jex2(i0)=(i) enddo doi511001 Jex2(i1)=Jex1(i-501) Jex2(i0)=(i) enddo priprava nulovych vektoru kladneho a zaporneho prubehu J DIMJ1TABLE60011timeJ DIMmJ1TABLE60011timeJ doi16001 J1(i0)=(i-1)dt time J1(i1)=0 J mJ1(i0)=(i-1)dt time mJ1(i1)=0 -J enddo vlozeni prvniho pulsu doi11001 J1(i1)=Jex2(i1) mJ1(i1)=-Jex2(i1) enddo vlozeni druheho pulsu doi3004001 J1(i1)=-Jex2(i-3001) mJ1(i1)=Jex2(i-3001) enddo prirazeni prubehu k plocham PREP7 FLST215ORDE1 FITEM28 BFAP51XJSJ1 FLST215ORDE1 FITEM29 BFAP51XJSmJ1
75 Nastaveniacute analyacutezy SOL prepnuti do Solution modu - nastaveni analyzy kroku=300 pocet kroku simulace ANTYPE4 TRNOPTFULL
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
6
NSUBSTkroku00 OUTRESERASE OUTRESALL1 TIMET_max solve spusti vypocet ulohy
76 Postprocessing POST1 prepne do Preprocesing modu krokyb=200 pocet kroku na delku coilgapu L=03 delka Rx snimace hrx1=(h2)+10e-3 jednotlive vyskove pozice Rx vinuti hrx2=(h2)+526e-3 hrx3=(h2) hrx4=((h2)-526e-3) hrx5=((h2)-10e-3) vytvoreni pole hodnot - 10 sloupcu x 300 radku sloupce odpovidaji poctu jednotlivych civek 2x5 (5 poloh horni a dolni civka) DIMTOKTABLEkroku101SUBSTEP TOK(00)=0 TOK(01)=0 TOK(02)=0 TOK(03)=0 TOK(04)=0 TOK(05)=0 TOK(06)=0 TOK(07)=0 TOK(08)=0 TOK(09)=0 TOK(010)=0 dok1kroku1 hlavni cyklus pocet cyklu odpovida poctu kroku analyzy APPEND 1 k nacteni k-teho kroku analyzy tato cast kodu je nutna pro kazdou civku zvlast (10x se opakuje) PATHHORNI26krokyb-1 definovani cesty horni civky PPATH10-c2hrx10 levy koncovy bod PPATH20c2hrx10 pravy koncovy bod PDEF BYAVG namapovani Y-slozky magneticke indukce B PCALCINTGINT_HORBYXGL vypocet integralu z By podle dX PBCPATH 0 PAGETHORNI1_TABL ulozeni hodnot ziskanych na definovane ceste do pole HORNI1_ PADELALL smazani cesty i s hodnotamy (pole HORNI1_ zustava) konec opakujici se casti prirazovani posledni hodnoty integralu do prislusneho pole vysledku TOK(k0)=k casova osa TOK(k1)=HORNI1_(krokyb6) TOK(k2)=DOLNI1_(krokyb6) TOK(k3)=HORNI2_(krokyb6) TOK(k4)=DOLNI2_(krokyb6) TOK(k5)=HORNI3_(krokyb6) TOK(k6)=DOLNI3_(krokyb6) TOK(k7)=HORNI4_(krokyb6) TOK(k8)=DOLNI4_(krokyb6) TOK(k9)=HORNI5_(krokyb6) TOK(k10)=DOLNI5_(krokyb6) DELPRM_ smaze vsechny pole vysledku koncici znakem _ enddo konec cyklu zapis_tok odkaz na skript pro zapsani pole vysledku do souboru txt
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
7
77 Makro Vyacutepis makra ktereacute uklaacutedaacute hodnoty do souboru tok_fitxt
MWRITETOK(111)tok_fitxt vytvori soubor tok_fitxt a ulozi do
nej matici vysletku TOK
(10E135) urcuje format zapisu hodnot - 10
sloupcu cisel o celkove delce 13ti
znaku z toho 5 za desetinou teckou
CFCLOS uzavre soubor
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
8
Eviden čniacute list
Souhlasiacutem s tiacutem aby moje bakalaacuteřskaacute praacutece byla půjčovaacutena k prezenčniacutemu studiu v
Univerzitniacute knihově ZČU v Plzni
Datum Podpis
Uživatel stvrzuje svyacutem čitelnyacutem podpisem že tuto bakalaacuteřskou praacuteci použil ke studijniacutem
uacutečelům a prohlašuje že ji uvede mezi použityacutemi prameny
Jmeacuteno Fakultakatedra Datum Podpis
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
30
Obr 42 Geometrie elementu PLANE53 [6]
Uacuteryvek koacutedu v kapitole 72 obsahuje definovaacuteniacute materiaacutelovyacutech vlastnostiacute definovaacuteniacute
elementů a jejich nastaveniacute V dalšiacute časti bylo nutneacute jednotliveacute materiaacutely a elementy přiřadit
danyacutem plochaacutem
Daacutele bylo zapotřebiacute nastavit atributy pro automatickeacute siacuteťovaacuteniacute oblasti Je nutneacute aby v
tenkyacutech a malyacutech plochaacutech byla vyššiacute hustota siacutetě než na velkyacutech plochaacutech kde postačuje siacuteť
řidšiacute Velmi důležitaacute je kompatibilita siacutetě proto byla v okoliacute Tx vodičů vytvořena
obdeacutelniacutekovaacute oblast s hustšiacute siacutetiacute viz uacuteryvek koacutedu v přiacuteloze 73
Obr 43 Detailniacute pohled na siacuteť elementů
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
31
V posledniacute čaacutesti preprocessingu byla definovaacutena Dirichletova okrajovaacute podmiacutenka
udaacutevajiacuteciacute magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel roven nule na vnějšiacute hrany vzduchoveacuteho okoliacute a
průběh budiacuteciacute proudoveacute hustoty v Tx vodičiacutech V horniacutem a dolniacutem vodiči měly toky opačnyacute
smysl proto bylo nutneacute vytvořit dva vektory hodnot J1 (obr 44) a mJ1 V posledniacute řadě bylo
provedeno přiřazeniacute průběhů k plochaacutem viz kapitola 74
Obr 44 Průběh proudoveacute hustoty v ploše Tx vodiče
Ansys byl do Solution modu přepnut přiacutekazem SOL kde se provedlo nastaveniacute
analyacutezy a byl spuštěn vyacutepočet viz kapitola 76
412 Postprocessing - ziacuteskaacutevaacuteniacute vyacutesledk ů Ciacutelem teacuteto čaacutesti bylo zjištěniacute průběhů naindukovanyacutech napětiacute Ui v zaacutevislosti na čase
pro různeacute vyacuteškoveacute pozice přijiacutemaciacutech ciacutevek Rx Pro indukovaneacute napětiacute platiacute vztah
( )Vndt
dU i sdotΦminus= (43)
kde
( )TdxBlx
x
Yint sdotsdot=Φ2
1
(44)
n počet zaacutevitů Rx vinutiacute
l deacutelka Rx vinutiacute ve směru osy Z
x1 a x2 šiacuteřka Rx vinutiacute ve směru osy X
BY složka magnetickeacute indukce v ose Y
Zadaacuteniacutem souřadnic dvou bodů se nadefinovala uacutesečka (cesta) na kterou byly s určityacutem
J (Am-2)
kroky vyacutepočtu (-)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
32
krokem zaznamenaacuteny hodnoty magnetickeacute indukce BY Průběh BY v zaacutevislosti na souřadnici X
je na obr 45
Obr 45 Průběh magnetickeacute indukce BY v zaacutevislosti na souřadnici X
Obr 46 Průběh magnetickeacuteho toku Φ v zaacutevislosti na souřadnici X
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
33
Integrovaacuteniacutem průběhu BY se ziacuteskal průběh magnetickeacuteho indukčniacuteho toku Φ obr 46
Magnetickyacute indukčniacute tok Φ je roven určiteacutemu integraacutelu (rovnice 44) průběhu BY obr 45 Z
toho vyplyacutevaacute že magnetickyacute indukčniacute tok je roven posledniacute hodnotě průběhu na obr 46
Tato hodnota se vynaacutesobila deacutelkou Rx vinutiacute Postup vyacutepočtu se opakoval pro všechny pozice
Rx vinutiacute a to v každeacutem kroku transientniacute analyacutezy Tiacutem se ziacuteskala zaacutevislost magnetickeacuteho
indukčniacuteho toku Φ na čase t V programu MS Excel se vynaacutesobil tok počtem zaacutevitů Rx vinutiacute
a byla provedena derivace podle času (rovnice 43) Takto byly zpracovaacuteny vyacutesledky pro
všechny pozice kontaminantu vůči Tx vinutiacute APDL skript pro ziacuteskaacutevaacuteniacute hodnot viz kapitola
76 a v kapitole 77 je vyacutepis makra ktereacute uklaacutedaacute hodnoty do souboru
413 Hodnoceniacute vyacutesledk ů Vypočteneacute hodnoty Ui ve všech pěti vyacuteškovyacutech poziciacutech hrx byly vyneseny do grafů v
zaacutevislosti na čase Pokud se vynesou do jednoho grafu průběhy indukovanyacutech napětiacute pro
každou pozici kontaminantu v daneacute vyacutešce lze sledovat odezvu indukovaneacuteho napětiacute na
polohu kontaminantu Jelikož byly provedeny tři seacuterie vyacutepočtů s různyacutemi kontaminanty lze
porovnat i tvary přijiacutemanyacutech signaacutelu pro jednotliveacute materiaacutely Ciacutelem teacuteto čaacutesti je porovnat
signaacutely ziacuteskaacutevaneacute v různyacutech vyacuteškovyacutech polohaacutech Rx vinutiacute a vybrat nejvhodnějšiacute signaacutel pro
detekci
Na naacutesledujiacuteciacutech grafech jsou znaacutezorněny napěťoveacute průběhy během jedneacute periody v
zaacutevislosti na poloze kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
34
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 47 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 48 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
35
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 49 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 410 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
36
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 411 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 5)
Na obraacutezciacutech 47 až 411 jsou zobrazeny průběhy odpoviacutedajiacuteciacute průchodu železneacuteho
kontaminantu s relativniacute permeablitou 400 a měrnyacutem elektrickyacutem odporem 10210-7 Ωm Na
průběziacutech 47 48 a 411 lze pozorovat sice nižšiacute hodnotu signaacutelu ale celkovaacute deformace
během průchodu kontaminantu je většiacute
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 412 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
37
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 413 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 414 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
38
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 415 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 416 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce5)
Na obraacutezciacutech 412 až 416 jsou zobrazeneacute průběhy odpoviacutedajiacuteciacute průchodu kontaminantu z
nerezu ANSI 304 s relativniacute permeablitou 1008 a měrnyacutem elektrickyacutem odporem 7210-7
Ωm Při porovnaacuteniacute s předchoziacutem kontaminantem je změna signaacutelu nižšiacute což odpoviacutedaacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
39
předpokladům o obtiacutežnějšiacute detekci nerezovyacutech kontaminantů
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 417 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 418 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
40
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 419 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 420 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
41
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 421 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 5)
Na obraacutezciacutech 417 až 421 jsou zobrazeny průběhy odpoviacutedajiacuteciacute neželezneacutemu
kontaminantu (mědi) s parametry relativniacute permeablita 1 a měrnyacute elektrickyacute odpor 7510-8
Ωm Průběh signaacutelu je velmi podobnyacute signaacutelům nerezoveacuteho kontaminantu
Porovnaacuteniacutem všech grafů (obr 47 - obr 422) je obecně vidět že u průběhů ve vyacutešce
3 a 4 je zisk signaacutelu pro všechny modelovaneacute kontaminanty největšiacute Dochaacuteziacute zde ale ke
změně amplitudy pouze v jednom smyslu což z hlediska vyhodnocovaciacutech algoritmů zlepšeniacute
detekce vylučuje Naproti tomu je u signaacutelu ve vyacutešce 5 znatelně vyššiacute amplituda než v
použiacutevaneacute vyacutešce 2 Na zaacutekladě tohoto zjištěniacute bude zhotoven prototyp detektoru za uacutečelem
ověřeniacute teoretickyacutech vyacutesledků
Na obraacutezku 422 je ukaacutezka grafickeacuteho vyacutestupu zobrazujiacuteciacuteho vektory proudoveacute
hustoty naindukovaneacute v nerezoveacutem krytu a v kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
42
Obr 422 Vektory proudovyacutech hustot naindukovanyacutech do kontaminantu a nerezoveacuteho krytu
Obraacutezek 423 zobrazuje kontury magnetickeacuteho pole ve stejneacutem časoveacutem kroku jako obr
422 Pole ktereacute je konturami zobrazeno je tvořeno praacutevě proudovou hustotou obr 422 Je
zde možneacute pozorovat jak se pole deformuje přiacutetomnyacutem kontaminantem
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
43
Obr 423 Kontury magnetickeacuteho vektoroveacuteho potenciaacutelu s viditelnou deformaciacute pole způsobenou
feromagnetickyacutem kontaminantem
42 Vyšet řovaacuteniacute množstviacute vyza řovaneacute energie V teacuteto čaacutesti se vychaacutezelo z předpokladu že intenzita elektromagnetickeacuteho pole uvnitř
detektoru je mnohem většiacute než elektromagnetickyacute šum kteryacute do detektoru vnikaacute z okoliacute
Proto lze předpoklaacutedat že rušeniacute bude způsobeno předevšiacutem deformaciacute vlastniacuteho
vyzařovaneacuteho pole v bliacutezkeacutem okoliacute detektoru To vede ke snaze snižovat množstviacute vlastniacuteho
vyzaacuteřeneacuteho pole ven z detektoru aby nemohlo byacutet deformovaacuteno okolniacutemi předměty
421 Řešeniacute probleacutemu Bylo porovnaacuteno pět variant detektorů bez průchodu kontaminantu Každaacute varianta se
řešila jedniacutem vyacutepočtem z čehož plyne malaacute časovaacute naacuteročnost a proto byly probleacutemy řešeny
bez využitiacute symetrie Prvniacute byl staacutevajiacuteciacute detektor o tloušťce kryciacuteho nerezoveacuteho plechu 3 mm
druhyacute byl stejneacute geometrie ale za použitiacute silnějšiacuteho 5 mm tlusteacuteho nerezu Třetiacute typ měl
tloušťku 3 mm ale na horniacute a dolniacute stěně bylo přidaacuteno dalšiacute stiacuteněniacute z nerezu ve tvaru T (obr
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
44
426) Posledniacute dva naacutevrhy měly pravouacutehlyacute tvar krytu celkově menšiacutech rozměrů z nichž jeden
byl jednoduchyacute o tloušťce 3 mm (obr 427) a druhyacute měl shora a zdola dvojiteacute dno z nerezu
tloušťky 3 mm (obr_428) Touto metodou by se dalo porovnaacutevat mnohem většiacute množstviacute
provedeniacute ktereacute by se mohly lišit i použityacutem materiaacutelem Vzduchoveacute okoliacute detektoru bylo
rozděleno na čtyři sektory v nichž se sečetly hodnoty magnetickeacute energie jednotlivyacutech
elementů v každeacutem kroku analyacutezy a tiacutem se ziacuteskal průběh množstviacute energie v daneacutem prostoru
na čase Objemovaacute hustota magnetickeacute energie byla zjišťovaacutena ve všech plochaacutech daneacute
geometrie a bylo možno sledovat jak se energie v čase přemisťuje
Obr 424 Geometrie varianty 3 mm
Obr 425 Geometrie varianty 5 mm
Obr 426 Geometrie varianty 3 mm-stineni
Obr 427 Geometrie varianty novy 1
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
45
Obr 428 Geometrie varianty novy 2
Přiacuteprava skriptů se od předchoziacutech vyacutepočtů lišila pouze v geometrii jinak byla
principiaacutelně stejnaacute Rozdiacutel byl však v čaacutesti post-processingu (ziacuteskaacutevaacuteniacute vyacutesledků) Aby bylo
možno přistupovat k jednotlivyacutem sektorům musel byacutet každyacute sektor definovaacuten vlastniacutem typem
elementů (elementy byly použity stejneacute jednaacute se pouze o čiacuteslovaacuteniacute) Byly použity osmkraacutet
elementy PLANE53
ET153 Tx vinuti ET253 prostor uvnitr detektoru ET353 nerezovy obal ET453 detekcni prostor ET553 vzduchove okoli - horni ET653 vzduchove okoli - pravy ET753 vzduchove okoli - dolni ET853 vzduchove okoli - levy
Přiacuteklad načiacutetaacuteniacute vyacutesledků pro jeden typ elementů
POST1 prepnutiacute do postprocesoru allsel oznaceni vsech elementu vytvoreni pole pro ukadani hodnot DIMenergie1TABLEkroku11timeE zapsani nulovych hodnot na zacatek vektoru vysledku energie1(00)=0 energie1(01)=0 cyklus ve kterem se nacitaji vysledky jednotlivych kroku simulace doi1kroku1 APPEND 1 i nacteni daneho kroku eseltype1 vybrani elementu typu 1 GET e_count1 ELEM count vraci mnozstvi elementu daneho typu GET e_next ELEM 0 NXTH vraci nejnizsi adresu elementu daneho typu v promenne e_next energ1=0 vynulovani promenne cyklus ktery postupne prochazi vsechy elementy daneho typu doj1e_count11 GET e_energ1 ELEM e_next SENE ulozi do promene e_energ1 mnozstvi energie v elementu s adresou e_next
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
46
GET e_next ELEM e_next NXTH posune adresu elementu o jedna energ1=energ1+e_energ1 pricte mnozstvi energie e_energ1 do kumulativni promnenne energ1 enddo konec vnitrniho cyklu energie1(i0)=i zapise do pole vysledku cislu jirju simulace energie1(i1)=energ1 zapise do pole vysledku mnozstvi energie v cele plose s elementy daneho typu enddo konec vnejsiho cyklu zapis_energ zavolani makra pro zapis vysledku do souboru
422 Hodnoceniacute vyacutesledk ů V jednotlivyacutech sektorech se provedla suma magnetickeacute energie pro každyacute krok
simulace Vyacutesledkem jsou průběhy množstviacute energie v daneacute ploše v zaacutevislosti na krociacutech
simulace (čase) Jednotliveacute varianty byly hodnoceny na zaacutekladě porovnaacuteniacute průběhů se
staacutevajiacuteciacutem detektorem
Energie v Tx vinutiacute
000E+00
100E-03
200E-03
300E-03
400E-03
500E-03
600E-03
700E-03
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 429 Energie v Tx vinutiacute
Na grafu (obr 429) je vidět že množstviacute energie v Tx vinutiacute neniacute zaacutevisleacute na geometrii a je
daacuteno budiacuteciacutem signaacutelem v Tx vinutiacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
47
Energie unit ř detektoru
000E+00
200E-02
400E-02
600E-02
800E-02
100E-01
120E-01
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 430 Energie uvnitř detektoru
Na obr 430 je znaacutezorněno množstviacute energie v prostoru detektoru do ktereacuteho neniacute
započiacutetaacutena detekčniacute oblast ta je zobrazena na obr 432 V teacuteto čaacutesti neniacute pozorovaacutena žaacutednaacute
vyacuteraznaacute změna
Energie v nerezoveacutem obalu
000E+00
500E-05
100E-04
150E-04
200E-04
250E-04
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 431 Energie v nerezoveacutem obalu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
48
Vyacuteraznějšiacute změny se odehraacutevajiacute v nerezoveacutem obalu Nejmenšiacute množstviacute energie je v klasickeacute
3 mm tlusteacute a v 5 mm tlusteacute variantě U klasickeacute varianty se stiacuteněniacutem a u novyacutech naacutevrhů je
naacuterůst způsoben přibliacuteženiacutem nerezu k Tx vinutiacute
Energie v prostoru detek čniacuteho otvoru
000E+00
500E-03
100E-02
150E-02
200E-02
250E-02
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 432 Energie v prostoru detekčniacuteho otvoru
V oblasti detekčniacuteho otvoru je snaha o uchovaacuteniacute co největšiacuteho množstviacute energie neboť
zmenšeniacute energie vede ke sniacuteženiacute odezvy na kontaminant tedy ke sniacuteženiacute citlivosti detektoru
Z obr 432 je patrneacute že geometrickeacute uacutepravy detektoru (3 mm se stiacuteněniacutem novy 1 a novy 2)
vedou ke sniacuteženiacute množstviacute energie v tomto prostoru
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
49
Energie v horniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
100E-07
200E-07
300E-07
400E-07
500E-07
600E-07
700E-07
800E-07
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 433 Energie v horniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Energie v dolniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
100E-07
200E-07
300E-07
400E-07
500E-07
600E-07
700E-07
800E-07
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 434 Energie v dolniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Porovnajiacute-li se obr 433 a 434 je u variant 1 - 3 možneacute pozorovat rozdiacutely mezi horniacute a dolniacute
plochou Je zde na prvniacute pohled vidět jak horniacute oblouk snižuje množstviacute energie unikajiacuteciacute do
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
50
okoliacute Jako uacutečinneacute se z pohledu těchto sektorů jeviacute varianta klasickeacuteho detektoru se stiacuteněniacutem a
novyacute naacutevrh s dvojityacutemi stěnami
Energie v praveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
500E-06
100E-05
150E-05
200E-05
250E-05
300E-05
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 435 Energie v praveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Energie v leveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
500E-06
100E-05
150E-05
200E-05
250E-05
300E-05
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 436 Energie v leveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
51
Pravyacute a levyacute sektor je z důvodů symetrie stejnyacute na obrazciacutech 435 a 436 lze pozorovat tzv
metal free zoacutenu kteraacute se u detektorů udaacutevaacute Jednaacute se o prostor před a za detekčniacutem otvorem
ve ktereacutem se nesmiacute nachaacutezet žaacutednyacute kovovyacute materiaacutel (z důvodu ovlivňovaacuteniacute pole) snahou je
tuto zoacutenu co nejviacutece zmenšit Z grafů je patrneacute že novyacute naacutevrh s dvojityacutemi stěnami vykazuje
nejmenšiacute množstviacute energie v teacuteto oblasti Naopak u klasickeacute varianty se stiacuteněniacutem došlo k
vytlačeniacute pole z vnitřku detektoru praacutevě do těchto okolniacutech zoacuten
Na zaacutekladě těchto poznatků bude provedeno ověřeniacute na skutečnyacutech zařiacutezeniacutech Mezi
použitelneacute varianty připadaacute klasickaacute konstrukce doplněnaacute o stiacuteněniacute a novyacute naacutevrh s dvojityacutemi
stěnami U toho je však velkaacute hrozba sniacuteženiacute citlivosti způsobeneacute menšiacutem množstviacutem energie
v detekčniacutem prostoru
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
52
5 Zaacutevěr Ciacutelem předklaacutedaneacute praacutece je zlepšeniacute činnosti detektorů kovů přiacutepadně uacuteprava
technologie vyacuteroby při současneacutem sniacuteženiacute vyacuterobniacutech naacutekladů Předpokladem uacutespěšnyacutech
naacutevrhů byla podrobnaacute studie činnosti a principu těchto zařiacutezeniacute kteraacute jsou vyacuterobcem po
několik let uacutespěšně prodaacutevaacutena na světovyacutech trziacutech
Na zaacutekladě těchto požadavků byly provedeny některeacute testy ktereacute měly ověřit
předpoklaacutedanaacute zlepšeniacute Nejširšiacute možnosti přinaacutešiacute modelovaacuteniacute magnetickeacuteho pole
průmyslovyacutech detektorů počiacutetačovou simulaciacute kteraacute je zatiacutem schopna řešit zadaneacute probleacutemy
v dvourozměrneacutem prostoru Nejčastěji řešeneacute probleacutemy jsou staacutele spojeny se zaacutekladniacutem
principem činnosti těchto zařiacutezeniacute tj vlivem a působeniacutem kontaminantu na
elektromagnetickeacute pole buzeneacute ciacutevkami uvnitř detektoru a nepřiacuteznivyacute vliv vnějšiacutech rušivyacutech
poliacute např při současneacute činnosti sousedniacutech detektorů Dalšiacutem zdrojem rušivyacutech magnetickyacutech
poliacute může byacutet i činnost a přiacutetomnost různyacutech elektrickyacutech zařiacutezeniacute probleacutem spojenyacute s
vhodnyacutem materiaacutelem a tvarem stiacuteněniacute těchto zařiacutezeniacute
Vzhledem k maximaacutelniacute citlivosti elektronickyacutech obvodů a požadovaneacute pečlivosti při
balancovaacuteniacute (vyvažovaacuteniacute) se vyskytuje probleacutem kteryacute souvisiacute se staacutelostiacute nastaveniacute detektoru
při mechanickeacutem otřesu přiacutepadně odstraněniacute změn ke kteryacutem dochaacuteziacute vlivem dopravy
Dalšiacutem plaacutenovanyacutem krokem je namodelovaacuteniacute probleacutemu v trojrozměrneacutem prostoru od
ktereacuteho je očekaacutevaacuteno zohledněniacute dalšiacutech vlivů a tiacutem zpřesněniacute samotneacuteho vyacutesledku
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
53
6 Použitaacute literatura [1] Internetoveacute straacutenky společnosti Loma Systems sro
httpwwwlomacom_czindexshtml
[2] Haacutejek J Jarchovskyacute Z Detektory kovů - naacutevod na stavbu nakladatelstviacute BEN Praha
2010
[3] Beneda L Detektory kovů bakalaacuteřskaacute praacutece ZČU Plzeň 2010
[4] Internetoveacute straacutenky společnosti Ad controls sro
httpwwwadcontrolsczdetektory_kovu_zakladni_pojmy
[5] KOVOHUTĚ ROKYCANY as COMTES FHT as MATEX sro Průběžnaacute
zpraacuteva k projektu FeNi - čj 1021207 - 32 za rok (2007 - 2009)
[6] Ansys Inc ANSYS HELP Release 130 Dokumentace k programu
[7] Karban P a kolektiv autorů Aplikace teoretickeacute elektrotechniky Skripta ZČU Plzeň
2011
[8] Benešovaacute Z Ulrych B Přiacuteručka pro použitiacute programů ve vyacuteuce teorie
elektromagnetickeacuteho pole Skripta ZČU Plzeň 1997
[9] Loma Systems sro Knowledge Base - Interniacute dokumentace společnosti
[10] Internetoveacute straacutenky společnosti Aerospace specification metals Inc
httpasmmatwebcomsearchSpecificMaterialaspbassnum=MQ304A
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
1
7 Přiacutelohy
71 Tvorba geometrie PREP7 prepnuti do rezimu preprocesingu jj=8 index polohy kontaminantu r1=05e-3 polomer Tx vodice 05 mm r2=15e-3 polomer kontaminantu 15 mm c=90e-3 sirka Rx civek h=1767e-3 vzdalenost mezi Tx vinutim hrx=(h2)+526e-3 zakladni vyskova poloha mezi Rx civkami hss=175e-3 vyska nerezoveho krytu wss=150e-3 sirka nerezoveho krytu tss=3e-3 tloustka nerezove steny hd=h-227e-3 vyska detekcniho otvoru wok=1000e-3 sirka vzduchoveho okoli hok=1000e-3 vyska vzduchoveho okoli wkon=(-250e-3)+(jj20e-3) poloha kontaminantu na ose X tvorba geometrickych bodu nerezoveho krytu K1022589e-30 K2022185e-30 K3-7907e-321208e-30 K4-78e-32085e-30 K57907e-321208e-30 K678e-32085e-30 K7-wsshss0 K8-wss+tsshss-tss0 K9wsshss0 K10wss-tsshss-tss0 K11-wss-hss0 K12-wss+tss-hss+tss0 K13wss-hss0 K14wss-tss-hss+tss0 vytvoreni ploch definovanymi body FLST273 FITEM27 FITEM23 FITEM21 FITEM25 FITEM29 FITEM213 FITEM211 AP51X FLST273 FITEM28 FITEM24 FITEM22 FITEM26 FITEM210 FITEM214 FITEM212 AP51X CYL40h2r1 plocha horniho Tx vodice CYL40-h2r1 ploch dolniho Tx vodice BLC50((h2)+hrx)2100e-310e-3 plocha horniho vzduchoveho okoli Tx vodice BLC50-((h2)+hrx)2100e-310e-3 plocha dolniho vzduchoveho okoli Tx vodice BLC5002wsshd plocha detekcniho ootvoru APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch odstraneni ploch ktere budou sjednoceny se vzduchovym okolim
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
2
FLST255ORDE4 FITEM210 FITEM2-12 FITEM215 FITEM218 ADELEP51X BLC500wokhok vytvoreni plochy vzduchoveho okoli APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch CYL4wkon0r2 vytvoreni plochy kontaminantu APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch konec tvorby geometrickeho modelu
72 Definice element ů materiaacutel ů a jejich p řiřazeniacute k plochaacutem definovani materialu MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX11 material 1 Tx permeabilita 1 MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX21 material 2 Air permeabilita 1 MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX31008 material 3 nerezovy kryt SS ANSI 304 permeabilita MPTEMP MPTEMP10 MPDATARSVX372e-7 material 3 nerezoovy kryt SS Ansi 304 rezistivita MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX4400 material 4 Kontaminant permeabilita MPTEMP MPTEMP10 MPDATARSVX4102e-7 material 4 Kontaminant rezistivita definovani elementu ET153 Tx civky ET253 Vzduch ET353 nerezovy kryt ET453 kontaminant nastaveni elementu KEYOPT110 Tx civky KEYOPT120 KEYOPT130 KEYOPT140 KEYOPT150 KEYOPT170 KEYOPT210 Air KEYOPT220 KEYOPT230 KEYOPT240 KEYOPT250 KEYOPT270 KEYOPT310 SS KEYOPT320 KEYOPT330 KEYOPT340 KEYOPT350
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
3
KEYOPT370 KEYOPT410 kontaminant KEYOPT420 KEYOPT430 KEYOPT440 KEYOPT450 KEYOPT470 prirazeni elementu a materialum k plocham FLST525ORDE2 Tx FITEM58 FITEM5-9 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 1 1 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 FLST535ORDE3 Air FITEM53 FITEM516 FITEM5-17 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 2 2 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 FLST525ORDE2 SS FITEM513 FITEM5-14 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 3 3 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 CM_YAREA kontaminant ASEL 1 CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 4 4 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
4
73 Siacuteťovaacuteniacute oblastiacute FLST275ORDE7 FITEM21 FITEM28 FITEM2-9 FITEM213 FITEM2-14 FITEM216 FITEM2-17 AESIZEP51X00005 nastaveni delky steny elementu 00005 m FLST215ORDE1 FITEM23 AESIZEP51X001 nastaveni delky steny elementu 001 m MSHAPE12D nastaveni 2D trojuhelnikove site MSHKEY0 FLST585ORDE8 FITEM51 FITEM53 FITEM58 FITEM5-9 FITEM513 FITEM5-14 FITEM516 FITEM5-17 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CHKMSHAREA CMSELS_Y AMESH_Y1 spusteni automatickeho sitovani CMDELE_Y CMDELE_Y1 CMDELE_Y2
74 Okrajovaacute podmiacutenka a nastaveniacute budiciacuteho pr ůběhu okrajova podminka FLST244ORDE4 FITEM214 FITEM212 FITEM27 FITEM25 DLP51X AZ0 nastaveni zatizeni parametry budici proudove hustoty f=35e3 frekvence signalu [Hz] part=600 pocet kroku signalu T_min=0 pocatek casove osy T_max=1f konec casove osy dt=T_maxpart casovy krok parametry prudove hustoty pi=4atan(1) s=pir12 I=600sqrt(2) N1=1 J1_a=IN1s definovani vzestupne casti pulsu tau=3 DIMJexTABLE5011timeJ Jex(11)=0
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
5
Jex(10)=0 doi2501 Jex(i1)=(J1_a)(1-exp(-itau)) Jex(i0)=(i) enddo definovani sestupne casti pulsu tau=3 DIMJex1TABLE5011timeJ Jex1(11)=J1_a Jex1(10)=0 doi2501 Jex1(i1)=(J1_a)(exp(-itau)) Jex1(i0)=(i) enddo sestaveni celeho pulsu DIMJex2TABLE10011timeJ Jex2(11)=0 Jex2(10)=0 doi2501 Jex2(i1)=Jex(i1) Jex2(i0)=(i) enddo doi511001 Jex2(i1)=Jex1(i-501) Jex2(i0)=(i) enddo priprava nulovych vektoru kladneho a zaporneho prubehu J DIMJ1TABLE60011timeJ DIMmJ1TABLE60011timeJ doi16001 J1(i0)=(i-1)dt time J1(i1)=0 J mJ1(i0)=(i-1)dt time mJ1(i1)=0 -J enddo vlozeni prvniho pulsu doi11001 J1(i1)=Jex2(i1) mJ1(i1)=-Jex2(i1) enddo vlozeni druheho pulsu doi3004001 J1(i1)=-Jex2(i-3001) mJ1(i1)=Jex2(i-3001) enddo prirazeni prubehu k plocham PREP7 FLST215ORDE1 FITEM28 BFAP51XJSJ1 FLST215ORDE1 FITEM29 BFAP51XJSmJ1
75 Nastaveniacute analyacutezy SOL prepnuti do Solution modu - nastaveni analyzy kroku=300 pocet kroku simulace ANTYPE4 TRNOPTFULL
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
6
NSUBSTkroku00 OUTRESERASE OUTRESALL1 TIMET_max solve spusti vypocet ulohy
76 Postprocessing POST1 prepne do Preprocesing modu krokyb=200 pocet kroku na delku coilgapu L=03 delka Rx snimace hrx1=(h2)+10e-3 jednotlive vyskove pozice Rx vinuti hrx2=(h2)+526e-3 hrx3=(h2) hrx4=((h2)-526e-3) hrx5=((h2)-10e-3) vytvoreni pole hodnot - 10 sloupcu x 300 radku sloupce odpovidaji poctu jednotlivych civek 2x5 (5 poloh horni a dolni civka) DIMTOKTABLEkroku101SUBSTEP TOK(00)=0 TOK(01)=0 TOK(02)=0 TOK(03)=0 TOK(04)=0 TOK(05)=0 TOK(06)=0 TOK(07)=0 TOK(08)=0 TOK(09)=0 TOK(010)=0 dok1kroku1 hlavni cyklus pocet cyklu odpovida poctu kroku analyzy APPEND 1 k nacteni k-teho kroku analyzy tato cast kodu je nutna pro kazdou civku zvlast (10x se opakuje) PATHHORNI26krokyb-1 definovani cesty horni civky PPATH10-c2hrx10 levy koncovy bod PPATH20c2hrx10 pravy koncovy bod PDEF BYAVG namapovani Y-slozky magneticke indukce B PCALCINTGINT_HORBYXGL vypocet integralu z By podle dX PBCPATH 0 PAGETHORNI1_TABL ulozeni hodnot ziskanych na definovane ceste do pole HORNI1_ PADELALL smazani cesty i s hodnotamy (pole HORNI1_ zustava) konec opakujici se casti prirazovani posledni hodnoty integralu do prislusneho pole vysledku TOK(k0)=k casova osa TOK(k1)=HORNI1_(krokyb6) TOK(k2)=DOLNI1_(krokyb6) TOK(k3)=HORNI2_(krokyb6) TOK(k4)=DOLNI2_(krokyb6) TOK(k5)=HORNI3_(krokyb6) TOK(k6)=DOLNI3_(krokyb6) TOK(k7)=HORNI4_(krokyb6) TOK(k8)=DOLNI4_(krokyb6) TOK(k9)=HORNI5_(krokyb6) TOK(k10)=DOLNI5_(krokyb6) DELPRM_ smaze vsechny pole vysledku koncici znakem _ enddo konec cyklu zapis_tok odkaz na skript pro zapsani pole vysledku do souboru txt
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
7
77 Makro Vyacutepis makra ktereacute uklaacutedaacute hodnoty do souboru tok_fitxt
MWRITETOK(111)tok_fitxt vytvori soubor tok_fitxt a ulozi do
nej matici vysletku TOK
(10E135) urcuje format zapisu hodnot - 10
sloupcu cisel o celkove delce 13ti
znaku z toho 5 za desetinou teckou
CFCLOS uzavre soubor
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
8
Eviden čniacute list
Souhlasiacutem s tiacutem aby moje bakalaacuteřskaacute praacutece byla půjčovaacutena k prezenčniacutemu studiu v
Univerzitniacute knihově ZČU v Plzni
Datum Podpis
Uživatel stvrzuje svyacutem čitelnyacutem podpisem že tuto bakalaacuteřskou praacuteci použil ke studijniacutem
uacutečelům a prohlašuje že ji uvede mezi použityacutemi prameny
Jmeacuteno Fakultakatedra Datum Podpis
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
31
V posledniacute čaacutesti preprocessingu byla definovaacutena Dirichletova okrajovaacute podmiacutenka
udaacutevajiacuteciacute magnetickyacute vektorovyacute potenciaacutel roven nule na vnějšiacute hrany vzduchoveacuteho okoliacute a
průběh budiacuteciacute proudoveacute hustoty v Tx vodičiacutech V horniacutem a dolniacutem vodiči měly toky opačnyacute
smysl proto bylo nutneacute vytvořit dva vektory hodnot J1 (obr 44) a mJ1 V posledniacute řadě bylo
provedeno přiřazeniacute průběhů k plochaacutem viz kapitola 74
Obr 44 Průběh proudoveacute hustoty v ploše Tx vodiče
Ansys byl do Solution modu přepnut přiacutekazem SOL kde se provedlo nastaveniacute
analyacutezy a byl spuštěn vyacutepočet viz kapitola 76
412 Postprocessing - ziacuteskaacutevaacuteniacute vyacutesledk ů Ciacutelem teacuteto čaacutesti bylo zjištěniacute průběhů naindukovanyacutech napětiacute Ui v zaacutevislosti na čase
pro různeacute vyacuteškoveacute pozice přijiacutemaciacutech ciacutevek Rx Pro indukovaneacute napětiacute platiacute vztah
( )Vndt
dU i sdotΦminus= (43)
kde
( )TdxBlx
x
Yint sdotsdot=Φ2
1
(44)
n počet zaacutevitů Rx vinutiacute
l deacutelka Rx vinutiacute ve směru osy Z
x1 a x2 šiacuteřka Rx vinutiacute ve směru osy X
BY složka magnetickeacute indukce v ose Y
Zadaacuteniacutem souřadnic dvou bodů se nadefinovala uacutesečka (cesta) na kterou byly s určityacutem
J (Am-2)
kroky vyacutepočtu (-)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
32
krokem zaznamenaacuteny hodnoty magnetickeacute indukce BY Průběh BY v zaacutevislosti na souřadnici X
je na obr 45
Obr 45 Průběh magnetickeacute indukce BY v zaacutevislosti na souřadnici X
Obr 46 Průběh magnetickeacuteho toku Φ v zaacutevislosti na souřadnici X
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
33
Integrovaacuteniacutem průběhu BY se ziacuteskal průběh magnetickeacuteho indukčniacuteho toku Φ obr 46
Magnetickyacute indukčniacute tok Φ je roven určiteacutemu integraacutelu (rovnice 44) průběhu BY obr 45 Z
toho vyplyacutevaacute že magnetickyacute indukčniacute tok je roven posledniacute hodnotě průběhu na obr 46
Tato hodnota se vynaacutesobila deacutelkou Rx vinutiacute Postup vyacutepočtu se opakoval pro všechny pozice
Rx vinutiacute a to v každeacutem kroku transientniacute analyacutezy Tiacutem se ziacuteskala zaacutevislost magnetickeacuteho
indukčniacuteho toku Φ na čase t V programu MS Excel se vynaacutesobil tok počtem zaacutevitů Rx vinutiacute
a byla provedena derivace podle času (rovnice 43) Takto byly zpracovaacuteny vyacutesledky pro
všechny pozice kontaminantu vůči Tx vinutiacute APDL skript pro ziacuteskaacutevaacuteniacute hodnot viz kapitola
76 a v kapitole 77 je vyacutepis makra ktereacute uklaacutedaacute hodnoty do souboru
413 Hodnoceniacute vyacutesledk ů Vypočteneacute hodnoty Ui ve všech pěti vyacuteškovyacutech poziciacutech hrx byly vyneseny do grafů v
zaacutevislosti na čase Pokud se vynesou do jednoho grafu průběhy indukovanyacutech napětiacute pro
každou pozici kontaminantu v daneacute vyacutešce lze sledovat odezvu indukovaneacuteho napětiacute na
polohu kontaminantu Jelikož byly provedeny tři seacuterie vyacutepočtů s různyacutemi kontaminanty lze
porovnat i tvary přijiacutemanyacutech signaacutelu pro jednotliveacute materiaacutely Ciacutelem teacuteto čaacutesti je porovnat
signaacutely ziacuteskaacutevaneacute v různyacutech vyacuteškovyacutech polohaacutech Rx vinutiacute a vybrat nejvhodnějšiacute signaacutel pro
detekci
Na naacutesledujiacuteciacutech grafech jsou znaacutezorněny napěťoveacute průběhy během jedneacute periody v
zaacutevislosti na poloze kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
34
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 47 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 48 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
35
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 49 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 410 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
36
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 411 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (železnyacute kontaminant ve vyacutešce 5)
Na obraacutezciacutech 47 až 411 jsou zobrazeny průběhy odpoviacutedajiacuteciacute průchodu železneacuteho
kontaminantu s relativniacute permeablitou 400 a měrnyacutem elektrickyacutem odporem 10210-7 Ωm Na
průběziacutech 47 48 a 411 lze pozorovat sice nižšiacute hodnotu signaacutelu ale celkovaacute deformace
během průchodu kontaminantu je většiacute
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 412 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
37
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 413 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 414 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
38
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 415 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 416 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (nerezovyacute kontaminant ve vyacutešce5)
Na obraacutezciacutech 412 až 416 jsou zobrazeneacute průběhy odpoviacutedajiacuteciacute průchodu kontaminantu z
nerezu ANSI 304 s relativniacute permeablitou 1008 a měrnyacutem elektrickyacutem odporem 7210-7
Ωm Při porovnaacuteniacute s předchoziacutem kontaminantem je změna signaacutelu nižšiacute což odpoviacutedaacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
39
předpokladům o obtiacutežnějšiacute detekci nerezovyacutech kontaminantů
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx1v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 417 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 1)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx2v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 418 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 2)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
40
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx3v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 419 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 3)
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx4v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 420 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 4)
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
41
Indukovaneacute nap ětiacute v Rx na pozici hrx5v zaacutevislosti na poloze kontaminantu
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
0 0000005 000001 0000015 000002 0000025
t (s)
Ui (V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 poloha kontaminantu
Obr 421 Průběhy Ui v zaacutevislosti na čase (neželeznyacute kontaminant ve vyacutešce 5)
Na obraacutezciacutech 417 až 421 jsou zobrazeny průběhy odpoviacutedajiacuteciacute neželezneacutemu
kontaminantu (mědi) s parametry relativniacute permeablita 1 a měrnyacute elektrickyacute odpor 7510-8
Ωm Průběh signaacutelu je velmi podobnyacute signaacutelům nerezoveacuteho kontaminantu
Porovnaacuteniacutem všech grafů (obr 47 - obr 422) je obecně vidět že u průběhů ve vyacutešce
3 a 4 je zisk signaacutelu pro všechny modelovaneacute kontaminanty největšiacute Dochaacuteziacute zde ale ke
změně amplitudy pouze v jednom smyslu což z hlediska vyhodnocovaciacutech algoritmů zlepšeniacute
detekce vylučuje Naproti tomu je u signaacutelu ve vyacutešce 5 znatelně vyššiacute amplituda než v
použiacutevaneacute vyacutešce 2 Na zaacutekladě tohoto zjištěniacute bude zhotoven prototyp detektoru za uacutečelem
ověřeniacute teoretickyacutech vyacutesledků
Na obraacutezku 422 je ukaacutezka grafickeacuteho vyacutestupu zobrazujiacuteciacuteho vektory proudoveacute
hustoty naindukovaneacute v nerezoveacutem krytu a v kontaminantu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
42
Obr 422 Vektory proudovyacutech hustot naindukovanyacutech do kontaminantu a nerezoveacuteho krytu
Obraacutezek 423 zobrazuje kontury magnetickeacuteho pole ve stejneacutem časoveacutem kroku jako obr
422 Pole ktereacute je konturami zobrazeno je tvořeno praacutevě proudovou hustotou obr 422 Je
zde možneacute pozorovat jak se pole deformuje přiacutetomnyacutem kontaminantem
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
43
Obr 423 Kontury magnetickeacuteho vektoroveacuteho potenciaacutelu s viditelnou deformaciacute pole způsobenou
feromagnetickyacutem kontaminantem
42 Vyšet řovaacuteniacute množstviacute vyza řovaneacute energie V teacuteto čaacutesti se vychaacutezelo z předpokladu že intenzita elektromagnetickeacuteho pole uvnitř
detektoru je mnohem většiacute než elektromagnetickyacute šum kteryacute do detektoru vnikaacute z okoliacute
Proto lze předpoklaacutedat že rušeniacute bude způsobeno předevšiacutem deformaciacute vlastniacuteho
vyzařovaneacuteho pole v bliacutezkeacutem okoliacute detektoru To vede ke snaze snižovat množstviacute vlastniacuteho
vyzaacuteřeneacuteho pole ven z detektoru aby nemohlo byacutet deformovaacuteno okolniacutemi předměty
421 Řešeniacute probleacutemu Bylo porovnaacuteno pět variant detektorů bez průchodu kontaminantu Každaacute varianta se
řešila jedniacutem vyacutepočtem z čehož plyne malaacute časovaacute naacuteročnost a proto byly probleacutemy řešeny
bez využitiacute symetrie Prvniacute byl staacutevajiacuteciacute detektor o tloušťce kryciacuteho nerezoveacuteho plechu 3 mm
druhyacute byl stejneacute geometrie ale za použitiacute silnějšiacuteho 5 mm tlusteacuteho nerezu Třetiacute typ měl
tloušťku 3 mm ale na horniacute a dolniacute stěně bylo přidaacuteno dalšiacute stiacuteněniacute z nerezu ve tvaru T (obr
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
44
426) Posledniacute dva naacutevrhy měly pravouacutehlyacute tvar krytu celkově menšiacutech rozměrů z nichž jeden
byl jednoduchyacute o tloušťce 3 mm (obr 427) a druhyacute měl shora a zdola dvojiteacute dno z nerezu
tloušťky 3 mm (obr_428) Touto metodou by se dalo porovnaacutevat mnohem většiacute množstviacute
provedeniacute ktereacute by se mohly lišit i použityacutem materiaacutelem Vzduchoveacute okoliacute detektoru bylo
rozděleno na čtyři sektory v nichž se sečetly hodnoty magnetickeacute energie jednotlivyacutech
elementů v každeacutem kroku analyacutezy a tiacutem se ziacuteskal průběh množstviacute energie v daneacutem prostoru
na čase Objemovaacute hustota magnetickeacute energie byla zjišťovaacutena ve všech plochaacutech daneacute
geometrie a bylo možno sledovat jak se energie v čase přemisťuje
Obr 424 Geometrie varianty 3 mm
Obr 425 Geometrie varianty 5 mm
Obr 426 Geometrie varianty 3 mm-stineni
Obr 427 Geometrie varianty novy 1
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
45
Obr 428 Geometrie varianty novy 2
Přiacuteprava skriptů se od předchoziacutech vyacutepočtů lišila pouze v geometrii jinak byla
principiaacutelně stejnaacute Rozdiacutel byl však v čaacutesti post-processingu (ziacuteskaacutevaacuteniacute vyacutesledků) Aby bylo
možno přistupovat k jednotlivyacutem sektorům musel byacutet každyacute sektor definovaacuten vlastniacutem typem
elementů (elementy byly použity stejneacute jednaacute se pouze o čiacuteslovaacuteniacute) Byly použity osmkraacutet
elementy PLANE53
ET153 Tx vinuti ET253 prostor uvnitr detektoru ET353 nerezovy obal ET453 detekcni prostor ET553 vzduchove okoli - horni ET653 vzduchove okoli - pravy ET753 vzduchove okoli - dolni ET853 vzduchove okoli - levy
Přiacuteklad načiacutetaacuteniacute vyacutesledků pro jeden typ elementů
POST1 prepnutiacute do postprocesoru allsel oznaceni vsech elementu vytvoreni pole pro ukadani hodnot DIMenergie1TABLEkroku11timeE zapsani nulovych hodnot na zacatek vektoru vysledku energie1(00)=0 energie1(01)=0 cyklus ve kterem se nacitaji vysledky jednotlivych kroku simulace doi1kroku1 APPEND 1 i nacteni daneho kroku eseltype1 vybrani elementu typu 1 GET e_count1 ELEM count vraci mnozstvi elementu daneho typu GET e_next ELEM 0 NXTH vraci nejnizsi adresu elementu daneho typu v promenne e_next energ1=0 vynulovani promenne cyklus ktery postupne prochazi vsechy elementy daneho typu doj1e_count11 GET e_energ1 ELEM e_next SENE ulozi do promene e_energ1 mnozstvi energie v elementu s adresou e_next
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
46
GET e_next ELEM e_next NXTH posune adresu elementu o jedna energ1=energ1+e_energ1 pricte mnozstvi energie e_energ1 do kumulativni promnenne energ1 enddo konec vnitrniho cyklu energie1(i0)=i zapise do pole vysledku cislu jirju simulace energie1(i1)=energ1 zapise do pole vysledku mnozstvi energie v cele plose s elementy daneho typu enddo konec vnejsiho cyklu zapis_energ zavolani makra pro zapis vysledku do souboru
422 Hodnoceniacute vyacutesledk ů V jednotlivyacutech sektorech se provedla suma magnetickeacute energie pro každyacute krok
simulace Vyacutesledkem jsou průběhy množstviacute energie v daneacute ploše v zaacutevislosti na krociacutech
simulace (čase) Jednotliveacute varianty byly hodnoceny na zaacutekladě porovnaacuteniacute průběhů se
staacutevajiacuteciacutem detektorem
Energie v Tx vinutiacute
000E+00
100E-03
200E-03
300E-03
400E-03
500E-03
600E-03
700E-03
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 429 Energie v Tx vinutiacute
Na grafu (obr 429) je vidět že množstviacute energie v Tx vinutiacute neniacute zaacutevisleacute na geometrii a je
daacuteno budiacuteciacutem signaacutelem v Tx vinutiacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
47
Energie unit ř detektoru
000E+00
200E-02
400E-02
600E-02
800E-02
100E-01
120E-01
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 430 Energie uvnitř detektoru
Na obr 430 je znaacutezorněno množstviacute energie v prostoru detektoru do ktereacuteho neniacute
započiacutetaacutena detekčniacute oblast ta je zobrazena na obr 432 V teacuteto čaacutesti neniacute pozorovaacutena žaacutednaacute
vyacuteraznaacute změna
Energie v nerezoveacutem obalu
000E+00
500E-05
100E-04
150E-04
200E-04
250E-04
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 431 Energie v nerezoveacutem obalu
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
48
Vyacuteraznějšiacute změny se odehraacutevajiacute v nerezoveacutem obalu Nejmenšiacute množstviacute energie je v klasickeacute
3 mm tlusteacute a v 5 mm tlusteacute variantě U klasickeacute varianty se stiacuteněniacutem a u novyacutech naacutevrhů je
naacuterůst způsoben přibliacuteženiacutem nerezu k Tx vinutiacute
Energie v prostoru detek čniacuteho otvoru
000E+00
500E-03
100E-02
150E-02
200E-02
250E-02
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 432 Energie v prostoru detekčniacuteho otvoru
V oblasti detekčniacuteho otvoru je snaha o uchovaacuteniacute co největšiacuteho množstviacute energie neboť
zmenšeniacute energie vede ke sniacuteženiacute odezvy na kontaminant tedy ke sniacuteženiacute citlivosti detektoru
Z obr 432 je patrneacute že geometrickeacute uacutepravy detektoru (3 mm se stiacuteněniacutem novy 1 a novy 2)
vedou ke sniacuteženiacute množstviacute energie v tomto prostoru
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
49
Energie v horniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
100E-07
200E-07
300E-07
400E-07
500E-07
600E-07
700E-07
800E-07
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 433 Energie v horniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Energie v dolniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
100E-07
200E-07
300E-07
400E-07
500E-07
600E-07
700E-07
800E-07
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 434 Energie v dolniacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Porovnajiacute-li se obr 433 a 434 je u variant 1 - 3 možneacute pozorovat rozdiacutely mezi horniacute a dolniacute
plochou Je zde na prvniacute pohled vidět jak horniacute oblouk snižuje množstviacute energie unikajiacuteciacute do
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
50
okoliacute Jako uacutečinneacute se z pohledu těchto sektorů jeviacute varianta klasickeacuteho detektoru se stiacuteněniacutem a
novyacute naacutevrh s dvojityacutemi stěnami
Energie v praveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
500E-06
100E-05
150E-05
200E-05
250E-05
300E-05
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 435 Energie v praveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Energie v leveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
000E+00
500E-06
100E-05
150E-05
200E-05
250E-05
300E-05
0 50 100 150 200 250 300Kroky simulace
energie (J) 3 mm
5 mm
3 mm-stineni
novy 1
novy 2
Obr 436 Energie v leveacute čaacutesti vzduchoveacuteho okoliacute
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
51
Pravyacute a levyacute sektor je z důvodů symetrie stejnyacute na obrazciacutech 435 a 436 lze pozorovat tzv
metal free zoacutenu kteraacute se u detektorů udaacutevaacute Jednaacute se o prostor před a za detekčniacutem otvorem
ve ktereacutem se nesmiacute nachaacutezet žaacutednyacute kovovyacute materiaacutel (z důvodu ovlivňovaacuteniacute pole) snahou je
tuto zoacutenu co nejviacutece zmenšit Z grafů je patrneacute že novyacute naacutevrh s dvojityacutemi stěnami vykazuje
nejmenšiacute množstviacute energie v teacuteto oblasti Naopak u klasickeacute varianty se stiacuteněniacutem došlo k
vytlačeniacute pole z vnitřku detektoru praacutevě do těchto okolniacutech zoacuten
Na zaacutekladě těchto poznatků bude provedeno ověřeniacute na skutečnyacutech zařiacutezeniacutech Mezi
použitelneacute varianty připadaacute klasickaacute konstrukce doplněnaacute o stiacuteněniacute a novyacute naacutevrh s dvojityacutemi
stěnami U toho je však velkaacute hrozba sniacuteženiacute citlivosti způsobeneacute menšiacutem množstviacutem energie
v detekčniacutem prostoru
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
52
5 Zaacutevěr Ciacutelem předklaacutedaneacute praacutece je zlepšeniacute činnosti detektorů kovů přiacutepadně uacuteprava
technologie vyacuteroby při současneacutem sniacuteženiacute vyacuterobniacutech naacutekladů Předpokladem uacutespěšnyacutech
naacutevrhů byla podrobnaacute studie činnosti a principu těchto zařiacutezeniacute kteraacute jsou vyacuterobcem po
několik let uacutespěšně prodaacutevaacutena na světovyacutech trziacutech
Na zaacutekladě těchto požadavků byly provedeny některeacute testy ktereacute měly ověřit
předpoklaacutedanaacute zlepšeniacute Nejširšiacute možnosti přinaacutešiacute modelovaacuteniacute magnetickeacuteho pole
průmyslovyacutech detektorů počiacutetačovou simulaciacute kteraacute je zatiacutem schopna řešit zadaneacute probleacutemy
v dvourozměrneacutem prostoru Nejčastěji řešeneacute probleacutemy jsou staacutele spojeny se zaacutekladniacutem
principem činnosti těchto zařiacutezeniacute tj vlivem a působeniacutem kontaminantu na
elektromagnetickeacute pole buzeneacute ciacutevkami uvnitř detektoru a nepřiacuteznivyacute vliv vnějšiacutech rušivyacutech
poliacute např při současneacute činnosti sousedniacutech detektorů Dalšiacutem zdrojem rušivyacutech magnetickyacutech
poliacute může byacutet i činnost a přiacutetomnost různyacutech elektrickyacutech zařiacutezeniacute probleacutem spojenyacute s
vhodnyacutem materiaacutelem a tvarem stiacuteněniacute těchto zařiacutezeniacute
Vzhledem k maximaacutelniacute citlivosti elektronickyacutech obvodů a požadovaneacute pečlivosti při
balancovaacuteniacute (vyvažovaacuteniacute) se vyskytuje probleacutem kteryacute souvisiacute se staacutelostiacute nastaveniacute detektoru
při mechanickeacutem otřesu přiacutepadně odstraněniacute změn ke kteryacutem dochaacuteziacute vlivem dopravy
Dalšiacutem plaacutenovanyacutem krokem je namodelovaacuteniacute probleacutemu v trojrozměrneacutem prostoru od
ktereacuteho je očekaacutevaacuteno zohledněniacute dalšiacutech vlivů a tiacutem zpřesněniacute samotneacuteho vyacutesledku
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
53
6 Použitaacute literatura [1] Internetoveacute straacutenky společnosti Loma Systems sro
httpwwwlomacom_czindexshtml
[2] Haacutejek J Jarchovskyacute Z Detektory kovů - naacutevod na stavbu nakladatelstviacute BEN Praha
2010
[3] Beneda L Detektory kovů bakalaacuteřskaacute praacutece ZČU Plzeň 2010
[4] Internetoveacute straacutenky společnosti Ad controls sro
httpwwwadcontrolsczdetektory_kovu_zakladni_pojmy
[5] KOVOHUTĚ ROKYCANY as COMTES FHT as MATEX sro Průběžnaacute
zpraacuteva k projektu FeNi - čj 1021207 - 32 za rok (2007 - 2009)
[6] Ansys Inc ANSYS HELP Release 130 Dokumentace k programu
[7] Karban P a kolektiv autorů Aplikace teoretickeacute elektrotechniky Skripta ZČU Plzeň
2011
[8] Benešovaacute Z Ulrych B Přiacuteručka pro použitiacute programů ve vyacuteuce teorie
elektromagnetickeacuteho pole Skripta ZČU Plzeň 1997
[9] Loma Systems sro Knowledge Base - Interniacute dokumentace společnosti
[10] Internetoveacute straacutenky společnosti Aerospace specification metals Inc
httpasmmatwebcomsearchSpecificMaterialaspbassnum=MQ304A
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
1
7 Přiacutelohy
71 Tvorba geometrie PREP7 prepnuti do rezimu preprocesingu jj=8 index polohy kontaminantu r1=05e-3 polomer Tx vodice 05 mm r2=15e-3 polomer kontaminantu 15 mm c=90e-3 sirka Rx civek h=1767e-3 vzdalenost mezi Tx vinutim hrx=(h2)+526e-3 zakladni vyskova poloha mezi Rx civkami hss=175e-3 vyska nerezoveho krytu wss=150e-3 sirka nerezoveho krytu tss=3e-3 tloustka nerezove steny hd=h-227e-3 vyska detekcniho otvoru wok=1000e-3 sirka vzduchoveho okoli hok=1000e-3 vyska vzduchoveho okoli wkon=(-250e-3)+(jj20e-3) poloha kontaminantu na ose X tvorba geometrickych bodu nerezoveho krytu K1022589e-30 K2022185e-30 K3-7907e-321208e-30 K4-78e-32085e-30 K57907e-321208e-30 K678e-32085e-30 K7-wsshss0 K8-wss+tsshss-tss0 K9wsshss0 K10wss-tsshss-tss0 K11-wss-hss0 K12-wss+tss-hss+tss0 K13wss-hss0 K14wss-tss-hss+tss0 vytvoreni ploch definovanymi body FLST273 FITEM27 FITEM23 FITEM21 FITEM25 FITEM29 FITEM213 FITEM211 AP51X FLST273 FITEM28 FITEM24 FITEM22 FITEM26 FITEM210 FITEM214 FITEM212 AP51X CYL40h2r1 plocha horniho Tx vodice CYL40-h2r1 ploch dolniho Tx vodice BLC50((h2)+hrx)2100e-310e-3 plocha horniho vzduchoveho okoli Tx vodice BLC50-((h2)+hrx)2100e-310e-3 plocha dolniho vzduchoveho okoli Tx vodice BLC5002wsshd plocha detekcniho ootvoru APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch odstraneni ploch ktere budou sjednoceny se vzduchovym okolim
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
2
FLST255ORDE4 FITEM210 FITEM2-12 FITEM215 FITEM218 ADELEP51X BLC500wokhok vytvoreni plochy vzduchoveho okoli APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch CYL4wkon0r2 vytvoreni plochy kontaminantu APTNall rozdeleni prekryvajicich se ploch konec tvorby geometrickeho modelu
72 Definice element ů materiaacutel ů a jejich p řiřazeniacute k plochaacutem definovani materialu MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX11 material 1 Tx permeabilita 1 MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX21 material 2 Air permeabilita 1 MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX31008 material 3 nerezovy kryt SS ANSI 304 permeabilita MPTEMP MPTEMP10 MPDATARSVX372e-7 material 3 nerezoovy kryt SS Ansi 304 rezistivita MPTEMP MPTEMP10 MPDATAMURX4400 material 4 Kontaminant permeabilita MPTEMP MPTEMP10 MPDATARSVX4102e-7 material 4 Kontaminant rezistivita definovani elementu ET153 Tx civky ET253 Vzduch ET353 nerezovy kryt ET453 kontaminant nastaveni elementu KEYOPT110 Tx civky KEYOPT120 KEYOPT130 KEYOPT140 KEYOPT150 KEYOPT170 KEYOPT210 Air KEYOPT220 KEYOPT230 KEYOPT240 KEYOPT250 KEYOPT270 KEYOPT310 SS KEYOPT320 KEYOPT330 KEYOPT340 KEYOPT350
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
3
KEYOPT370 KEYOPT410 kontaminant KEYOPT420 KEYOPT430 KEYOPT440 KEYOPT450 KEYOPT470 prirazeni elementu a materialum k plocham FLST525ORDE2 Tx FITEM58 FITEM5-9 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 1 1 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 FLST535ORDE3 Air FITEM53 FITEM516 FITEM5-17 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 2 2 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 FLST525ORDE2 SS FITEM513 FITEM5-14 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 3 3 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1 CM_YAREA kontaminant ASEL 1 CM_Y1AREA CMSELS_Y CMSELS_Y1 AATT 4 4 0 CMSELS_Y CMDELE_Y CMDELE_Y1
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
4
73 Siacuteťovaacuteniacute oblastiacute FLST275ORDE7 FITEM21 FITEM28 FITEM2-9 FITEM213 FITEM2-14 FITEM216 FITEM2-17 AESIZEP51X00005 nastaveni delky steny elementu 00005 m FLST215ORDE1 FITEM23 AESIZEP51X001 nastaveni delky steny elementu 001 m MSHAPE12D nastaveni 2D trojuhelnikove site MSHKEY0 FLST585ORDE8 FITEM51 FITEM53 FITEM58 FITEM5-9 FITEM513 FITEM5-14 FITEM516 FITEM5-17 CM_YAREA ASEL P51X CM_Y1AREA CHKMSHAREA CMSELS_Y AMESH_Y1 spusteni automatickeho sitovani CMDELE_Y CMDELE_Y1 CMDELE_Y2
74 Okrajovaacute podmiacutenka a nastaveniacute budiciacuteho pr ůběhu okrajova podminka FLST244ORDE4 FITEM214 FITEM212 FITEM27 FITEM25 DLP51X AZ0 nastaveni zatizeni parametry budici proudove hustoty f=35e3 frekvence signalu [Hz] part=600 pocet kroku signalu T_min=0 pocatek casove osy T_max=1f konec casove osy dt=T_maxpart casovy krok parametry prudove hustoty pi=4atan(1) s=pir12 I=600sqrt(2) N1=1 J1_a=IN1s definovani vzestupne casti pulsu tau=3 DIMJexTABLE5011timeJ Jex(11)=0
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
5
Jex(10)=0 doi2501 Jex(i1)=(J1_a)(1-exp(-itau)) Jex(i0)=(i) enddo definovani sestupne casti pulsu tau=3 DIMJex1TABLE5011timeJ Jex1(11)=J1_a Jex1(10)=0 doi2501 Jex1(i1)=(J1_a)(exp(-itau)) Jex1(i0)=(i) enddo sestaveni celeho pulsu DIMJex2TABLE10011timeJ Jex2(11)=0 Jex2(10)=0 doi2501 Jex2(i1)=Jex(i1) Jex2(i0)=(i) enddo doi511001 Jex2(i1)=Jex1(i-501) Jex2(i0)=(i) enddo priprava nulovych vektoru kladneho a zaporneho prubehu J DIMJ1TABLE60011timeJ DIMmJ1TABLE60011timeJ doi16001 J1(i0)=(i-1)dt time J1(i1)=0 J mJ1(i0)=(i-1)dt time mJ1(i1)=0 -J enddo vlozeni prvniho pulsu doi11001 J1(i1)=Jex2(i1) mJ1(i1)=-Jex2(i1) enddo vlozeni druheho pulsu doi3004001 J1(i1)=-Jex2(i-3001) mJ1(i1)=Jex2(i-3001) enddo prirazeni prubehu k plocham PREP7 FLST215ORDE1 FITEM28 BFAP51XJSJ1 FLST215ORDE1 FITEM29 BFAP51XJSmJ1
75 Nastaveniacute analyacutezy SOL prepnuti do Solution modu - nastaveni analyzy kroku=300 pocet kroku simulace ANTYPE4 TRNOPTFULL
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
6
NSUBSTkroku00 OUTRESERASE OUTRESALL1 TIMET_max solve spusti vypocet ulohy
76 Postprocessing POST1 prepne do Preprocesing modu krokyb=200 pocet kroku na delku coilgapu L=03 delka Rx snimace hrx1=(h2)+10e-3 jednotlive vyskove pozice Rx vinuti hrx2=(h2)+526e-3 hrx3=(h2) hrx4=((h2)-526e-3) hrx5=((h2)-10e-3) vytvoreni pole hodnot - 10 sloupcu x 300 radku sloupce odpovidaji poctu jednotlivych civek 2x5 (5 poloh horni a dolni civka) DIMTOKTABLEkroku101SUBSTEP TOK(00)=0 TOK(01)=0 TOK(02)=0 TOK(03)=0 TOK(04)=0 TOK(05)=0 TOK(06)=0 TOK(07)=0 TOK(08)=0 TOK(09)=0 TOK(010)=0 dok1kroku1 hlavni cyklus pocet cyklu odpovida poctu kroku analyzy APPEND 1 k nacteni k-teho kroku analyzy tato cast kodu je nutna pro kazdou civku zvlast (10x se opakuje) PATHHORNI26krokyb-1 definovani cesty horni civky PPATH10-c2hrx10 levy koncovy bod PPATH20c2hrx10 pravy koncovy bod PDEF BYAVG namapovani Y-slozky magneticke indukce B PCALCINTGINT_HORBYXGL vypocet integralu z By podle dX PBCPATH 0 PAGETHORNI1_TABL ulozeni hodnot ziskanych na definovane ceste do pole HORNI1_ PADELALL smazani cesty i s hodnotamy (pole HORNI1_ zustava) konec opakujici se casti prirazovani posledni hodnoty integralu do prislusneho pole vysledku TOK(k0)=k casova osa TOK(k1)=HORNI1_(krokyb6) TOK(k2)=DOLNI1_(krokyb6) TOK(k3)=HORNI2_(krokyb6) TOK(k4)=DOLNI2_(krokyb6) TOK(k5)=HORNI3_(krokyb6) TOK(k6)=DOLNI3_(krokyb6) TOK(k7)=HORNI4_(krokyb6) TOK(k8)=DOLNI4_(krokyb6) TOK(k9)=HORNI5_(krokyb6) TOK(k10)=DOLNI5_(krokyb6) DELPRM_ smaze vsechny pole vysledku koncici znakem _ enddo konec cyklu zapis_tok odkaz na skript pro zapsani pole vysledku do souboru txt
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
7
77 Makro Vyacutepis makra ktereacute uklaacutedaacute hodnoty do souboru tok_fitxt
MWRITETOK(111)tok_fitxt vytvori soubor tok_fitxt a ulozi do
nej matici vysletku TOK
(10E135) urcuje format zapisu hodnot - 10
sloupcu cisel o celkove delce 13ti
znaku z toho 5 za desetinou teckou
CFCLOS uzavre soubor
Optimalizace detektoru kovů Bc Lukaacuteš Beneda 2012
8
Eviden čniacute list
Souhlasiacutem s tiacutem aby moje bakalaacuteřskaacute praacutece byla půjčovaacutena k prezenčniacutemu studiu v
Univerzitniacute knihově ZČU v Plzni
Datum Podpis
Uživatel stvrzuje svyacutem čitelnyacutem podpisem že tuto bakalaacuteřskou praacuteci použil ke studijniacutem
uacutečelům a prohlašuje že ji uvede mezi použityacutemi prameny
Jmeacuteno Fakultakatedra Datum Podpis