+ All Categories
Home > Documents > Optimalizace detektoru kovů detektoru kovu.pdfOptimalizace detektoru kov ů Bc. Lukáš Beneda 2012...

Optimalizace detektoru kovů detektoru kovu.pdfOptimalizace detektoru kov ů Bc. Lukáš Beneda 2012...

Date post: 08-Mar-2021
Category:
Upload: others
View: 1 times
Download: 0 times
Share this document with a friend
61
ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI FAKULTA ELEKTROTECHNICKÁ KATEDRA TECHNOLOGIÍ A MĚŘENÍ DIPLOMOVÁ PRÁCE Optimalizace detektoru kovů vedoucí práce: Doc. Ing. Vlastimil Beran CSc. 2012 autor: Bc. Lukáš Beneda
Transcript
Page 1: Optimalizace detektoru kovů detektoru kovu.pdfOptimalizace detektoru kov ů Bc. Lukáš Beneda 2012 Abstract The objectives of this thesis are focused on a specific group of metal

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

Page 2: Optimalizace detektoru kovů detektoru kovu.pdfOptimalizace detektoru kov ů Bc. Lukáš Beneda 2012 Abstract The objectives of this thesis are focused on a specific group of metal

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

Page 3: Optimalizace detektoru kovů detektoru kovu.pdfOptimalizace detektoru kov ů Bc. Lukáš Beneda 2012 Abstract The objectives of this thesis are focused on a specific group of metal

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

Page 4: Optimalizace detektoru kovů detektoru kovu.pdfOptimalizace detektoru kov ů Bc. Lukáš Beneda 2012 Abstract The objectives of this thesis are focused on a specific group of metal

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

Page 5: Optimalizace detektoru kovů detektoru kovu.pdfOptimalizace detektoru kov ů Bc. Lukáš Beneda 2012 Abstract The objectives of this thesis are focused on a specific group of metal

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

Page 6: Optimalizace detektoru kovů detektoru kovu.pdfOptimalizace detektoru kov ů Bc. Lukáš Beneda 2012 Abstract The objectives of this thesis are focused on a specific group of metal

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

Page 7: Optimalizace detektoru kovů detektoru kovu.pdfOptimalizace detektoru kov ů Bc. Lukáš Beneda 2012 Abstract The objectives of this thesis are focused on a specific group of metal

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

Page 8: Optimalizace detektoru kovů detektoru kovu.pdfOptimalizace detektoru kov ů Bc. Lukáš Beneda 2012 Abstract The objectives of this thesis are focused on a specific group of metal

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

Page 9: Optimalizace detektoru kovů detektoru kovu.pdfOptimalizace detektoru kov ů Bc. Lukáš Beneda 2012 Abstract The objectives of this thesis are focused on a specific group of metal

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

Page 10: Optimalizace detektoru kovů detektoru kovu.pdfOptimalizace detektoru kov ů Bc. Lukáš Beneda 2012 Abstract The objectives of this thesis are focused on a specific group of metal

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

Page 11: Optimalizace detektoru kovů detektoru kovu.pdfOptimalizace detektoru kov ů Bc. Lukáš Beneda 2012 Abstract The objectives of this thesis are focused on a specific group of metal

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

Page 12: Optimalizace detektoru kovů detektoru kovu.pdfOptimalizace detektoru kov ů Bc. Lukáš Beneda 2012 Abstract The objectives of this thesis are focused on a specific group of metal

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

Page 13: Optimalizace detektoru kovů detektoru kovu.pdfOptimalizace detektoru kov ů Bc. Lukáš Beneda 2012 Abstract The objectives of this thesis are focused on a specific group of metal

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

Page 14: Optimalizace detektoru kovů detektoru kovu.pdfOptimalizace detektoru kov ů Bc. Lukáš Beneda 2012 Abstract The objectives of this thesis are focused on a specific group of metal

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

Page 15: Optimalizace detektoru kovů detektoru kovu.pdfOptimalizace detektoru kov ů Bc. Lukáš Beneda 2012 Abstract The objectives of this thesis are focused on a specific group of metal

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

Page 16: Optimalizace detektoru kovů detektoru kovu.pdfOptimalizace detektoru kov ů Bc. Lukáš Beneda 2012 Abstract The objectives of this thesis are focused on a specific group of metal

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

Page 17: Optimalizace detektoru kovů detektoru kovu.pdfOptimalizace detektoru kov ů Bc. Lukáš Beneda 2012 Abstract The objectives of this thesis are focused on a specific group of metal

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

Page 18: Optimalizace detektoru kovů detektoru kovu.pdfOptimalizace detektoru kov ů Bc. Lukáš Beneda 2012 Abstract The objectives of this thesis are focused on a specific group of metal

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

Page 19: Optimalizace detektoru kovů detektoru kovu.pdfOptimalizace detektoru kov ů Bc. Lukáš Beneda 2012 Abstract The objectives of this thesis are focused on a specific group of metal

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

Page 20: Optimalizace detektoru kovů detektoru kovu.pdfOptimalizace detektoru kov ů Bc. Lukáš Beneda 2012 Abstract The objectives of this thesis are focused on a specific group of metal

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

Page 21: Optimalizace detektoru kovů detektoru kovu.pdfOptimalizace detektoru kov ů Bc. Lukáš Beneda 2012 Abstract The objectives of this thesis are focused on a specific group of metal

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

Page 22: Optimalizace detektoru kovů detektoru kovu.pdfOptimalizace detektoru kov ů Bc. Lukáš Beneda 2012 Abstract The objectives of this thesis are focused on a specific group of metal

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

Page 23: Optimalizace detektoru kovů detektoru kovu.pdfOptimalizace detektoru kov ů Bc. Lukáš Beneda 2012 Abstract The objectives of this thesis are focused on a specific group of metal

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

Page 24: Optimalizace detektoru kovů detektoru kovu.pdfOptimalizace detektoru kov ů Bc. Lukáš Beneda 2012 Abstract The objectives of this thesis are focused on a specific group of metal

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

Page 25: Optimalizace detektoru kovů detektoru kovu.pdfOptimalizace detektoru kov ů Bc. Lukáš Beneda 2012 Abstract The objectives of this thesis are focused on a specific group of metal

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

Page 26: Optimalizace detektoru kovů detektoru kovu.pdfOptimalizace detektoru kov ů Bc. Lukáš Beneda 2012 Abstract The objectives of this thesis are focused on a specific group of metal

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

Page 27: Optimalizace detektoru kovů detektoru kovu.pdfOptimalizace detektoru kov ů Bc. Lukáš Beneda 2012 Abstract The objectives of this thesis are focused on a specific group of metal

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

Page 28: Optimalizace detektoru kovů detektoru kovu.pdfOptimalizace detektoru kov ů Bc. Lukáš Beneda 2012 Abstract The objectives of this thesis are focused on a specific group of metal

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

Page 29: Optimalizace detektoru kovů detektoru kovu.pdfOptimalizace detektoru kov ů Bc. Lukáš Beneda 2012 Abstract The objectives of this thesis are focused on a specific group of metal

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

Page 30: Optimalizace detektoru kovů detektoru kovu.pdfOptimalizace detektoru kov ů Bc. Lukáš Beneda 2012 Abstract The objectives of this thesis are focused on a specific group of metal

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

Page 31: Optimalizace detektoru kovů detektoru kovu.pdfOptimalizace detektoru kov ů Bc. Lukáš Beneda 2012 Abstract The objectives of this thesis are focused on a specific group of metal

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

Page 32: Optimalizace detektoru kovů detektoru kovu.pdfOptimalizace detektoru kov ů Bc. Lukáš Beneda 2012 Abstract The objectives of this thesis are focused on a specific group of metal
Page 33: Optimalizace detektoru kovů detektoru kovu.pdfOptimalizace detektoru kov ů Bc. Lukáš Beneda 2012 Abstract The objectives of this thesis are focused on a specific group of metal
Page 34: Optimalizace detektoru kovů detektoru kovu.pdfOptimalizace detektoru kov ů Bc. Lukáš Beneda 2012 Abstract The objectives of this thesis are focused on a specific group of metal
Page 35: Optimalizace detektoru kovů detektoru kovu.pdfOptimalizace detektoru kov ů Bc. Lukáš Beneda 2012 Abstract The objectives of this thesis are focused on a specific group of metal
Page 36: Optimalizace detektoru kovů detektoru kovu.pdfOptimalizace detektoru kov ů Bc. Lukáš Beneda 2012 Abstract The objectives of this thesis are focused on a specific group of metal
Page 37: Optimalizace detektoru kovů detektoru kovu.pdfOptimalizace detektoru kov ů Bc. Lukáš Beneda 2012 Abstract The objectives of this thesis are focused on a specific group of metal
Page 38: Optimalizace detektoru kovů detektoru kovu.pdfOptimalizace detektoru kov ů Bc. Lukáš Beneda 2012 Abstract The objectives of this thesis are focused on a specific group of metal
Page 39: Optimalizace detektoru kovů detektoru kovu.pdfOptimalizace detektoru kov ů Bc. Lukáš Beneda 2012 Abstract The objectives of this thesis are focused on a specific group of metal
Page 40: Optimalizace detektoru kovů detektoru kovu.pdfOptimalizace detektoru kov ů Bc. Lukáš Beneda 2012 Abstract The objectives of this thesis are focused on a specific group of metal
Page 41: Optimalizace detektoru kovů detektoru kovu.pdfOptimalizace detektoru kov ů Bc. Lukáš Beneda 2012 Abstract The objectives of this thesis are focused on a specific group of metal
Page 42: Optimalizace detektoru kovů detektoru kovu.pdfOptimalizace detektoru kov ů Bc. Lukáš Beneda 2012 Abstract The objectives of this thesis are focused on a specific group of metal
Page 43: Optimalizace detektoru kovů detektoru kovu.pdfOptimalizace detektoru kov ů Bc. Lukáš Beneda 2012 Abstract The objectives of this thesis are focused on a specific group of metal
Page 44: Optimalizace detektoru kovů detektoru kovu.pdfOptimalizace detektoru kov ů Bc. Lukáš Beneda 2012 Abstract The objectives of this thesis are focused on a specific group of metal
Page 45: Optimalizace detektoru kovů detektoru kovu.pdfOptimalizace detektoru kov ů Bc. Lukáš Beneda 2012 Abstract The objectives of this thesis are focused on a specific group of metal
Page 46: Optimalizace detektoru kovů detektoru kovu.pdfOptimalizace detektoru kov ů Bc. Lukáš Beneda 2012 Abstract The objectives of this thesis are focused on a specific group of metal
Page 47: Optimalizace detektoru kovů detektoru kovu.pdfOptimalizace detektoru kov ů Bc. Lukáš Beneda 2012 Abstract The objectives of this thesis are focused on a specific group of metal
Page 48: Optimalizace detektoru kovů detektoru kovu.pdfOptimalizace detektoru kov ů Bc. Lukáš Beneda 2012 Abstract The objectives of this thesis are focused on a specific group of metal
Page 49: Optimalizace detektoru kovů detektoru kovu.pdfOptimalizace detektoru kov ů Bc. Lukáš Beneda 2012 Abstract The objectives of this thesis are focused on a specific group of metal
Page 50: Optimalizace detektoru kovů detektoru kovu.pdfOptimalizace detektoru kov ů Bc. Lukáš Beneda 2012 Abstract The objectives of this thesis are focused on a specific group of metal
Page 51: Optimalizace detektoru kovů detektoru kovu.pdfOptimalizace detektoru kov ů Bc. Lukáš Beneda 2012 Abstract The objectives of this thesis are focused on a specific group of metal
Page 52: Optimalizace detektoru kovů detektoru kovu.pdfOptimalizace detektoru kov ů Bc. Lukáš Beneda 2012 Abstract The objectives of this thesis are focused on a specific group of metal
Page 53: Optimalizace detektoru kovů detektoru kovu.pdfOptimalizace detektoru kov ů Bc. Lukáš Beneda 2012 Abstract The objectives of this thesis are focused on a specific group of metal
Page 54: Optimalizace detektoru kovů detektoru kovu.pdfOptimalizace detektoru kov ů Bc. Lukáš Beneda 2012 Abstract The objectives of this thesis are focused on a specific group of metal
Page 55: Optimalizace detektoru kovů detektoru kovu.pdfOptimalizace detektoru kov ů Bc. Lukáš Beneda 2012 Abstract The objectives of this thesis are focused on a specific group of metal
Page 56: Optimalizace detektoru kovů detektoru kovu.pdfOptimalizace detektoru kov ů Bc. Lukáš Beneda 2012 Abstract The objectives of this thesis are focused on a specific group of metal
Page 57: Optimalizace detektoru kovů detektoru kovu.pdfOptimalizace detektoru kov ů Bc. Lukáš Beneda 2012 Abstract The objectives of this thesis are focused on a specific group of metal
Page 58: Optimalizace detektoru kovů detektoru kovu.pdfOptimalizace detektoru kov ů Bc. Lukáš Beneda 2012 Abstract The objectives of this thesis are focused on a specific group of metal
Page 59: Optimalizace detektoru kovů detektoru kovu.pdfOptimalizace detektoru kov ů Bc. Lukáš Beneda 2012 Abstract The objectives of this thesis are focused on a specific group of metal
Page 60: Optimalizace detektoru kovů detektoru kovu.pdfOptimalizace detektoru kov ů Bc. Lukáš Beneda 2012 Abstract The objectives of this thesis are focused on a specific group of metal
Page 61: Optimalizace detektoru kovů detektoru kovu.pdfOptimalizace detektoru kov ů Bc. Lukáš Beneda 2012 Abstract The objectives of this thesis are focused on a specific group of metal

Recommended