Прибор для определения состояния заземляющего контура

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

АРХАНГЕЛЬСКОЙ ОБЛАСТИ

государственное автономное профессиональное образовательное

учреждение Архангельской области

«Северодвинский техникум социальной инфраструктуры»

(ГАПОУ АО «СТСИ»)

Исследовательский  проект

Прибор для определения состояния заземляющего контура 

Выполнил: Трапезников Илья, обучающийся гр. 305-306,

профессия СПО:13.01.10 Электромонтёр по ремонту и обслуживанию электрооборудования (по отраслям)

Руководитель: Масько Татьяна Ивановна,  преподаватель

Мастер производственного обучения: Лебедев Вячеслав Сергеевич

Северодвинск 2015

Содержание

Введение

В современном мире практически к каждому дому подведено электричество. Но случается так, что линии электропередач могут оборваться. Обрыв может произойти в разных местах, иногда найти его не составляет труда, а иногда очень сложно. Обычно такие сложные разрывы находятся под землей. С кабелями такое случается не часто, так как они покрыты множеством защитных покровов и изоляцией. Так же проходят в специальных защитных коробах. Но с заземлением совсем другая история. Оно пролегает в земле без защитных факторов и может сгнить. Поэтому его необходимо довольно часто проверять. Найти его бывает достаточно проблематично, особенно если оно сделано не по стандарту. Ситуация, когда нужно найти заземляющий контур, но не хочется рыть у дома много ям в поисках заземления точно встречаются.

Именно для таких целей нами использовался металлоискатель. Современные металлоискатели способны делать практически всё, кроме откапывания обнаруженного предмета. Они могут искать объект, определять точное место его залегания, примерно указать его размер, форму и глубину, на которой он залегает, а так же сообщать оператору, стоит ли находку выкапывать. Некоторые из таких объектов распознаются самим оператором, который работает более эффективнее со своим детектором, изучая и анализируя аудио информацию и показания индикатора. Какие приборы будут разработаны завтра, можно только догадываться, но это точно будут новые и улучшенные устройства. В самом начале использования металлодетекторы  применялись преимущественно для обнаружения ценных металлов. 

Чтобы использовать этот прибор в деле нужно чтобы он обладал достаточной чувствительностью и плохо воспринимал посторонние, влияющие на него факторы. Прибор должен быть устойчив к погодным явлениям, обладать небольшим размером, быть доступным, автономным и простым в обслуживании.

1. Металлоискатель

Принцип работы импульсного металлоискателя основан на возбуждении в зоне расположения металлического объекта импульсных вихревых  токов и измерении вторичного электромагнитного поля, которое наводят эти токи. В данном случае, возбуждающий сигнал передается в катушку датчика не постоянно, а периодически, в виде импульсов. В проводящих объектах наводятся затухающие вихревые токи, которые возбуждают затухающее электромагнитное поле. Поле, в свою очередь, наводит в катушке датчика затухающий ток. Соответственно, в зависимости от проводящих свойств и размера объекта, сигнал меняет свою форму и длительность.

Основой устройства является микроконтроллер, в данном случае эту роль выполняет популярный микроконтроллер ATmega8. С его помощью осуществляется формирование временных интервалов для управления всеми узлами устройства, а также индикация и общее управление прибором. С помощью мощного ключа производится импульсное накопление энергии в катушке датчика, роль ключа выполняет микросхема КР590КН5 которая представляет из себя четырех аналоговый ключ, а затем прерывание тока, после которого возникает импульс самоиндукции, возбуждающий электромагнитное поле в мишени. Немаловажная деталь схемы - дифференциальный усилитель на входе устройства, роль этого блока выполняет интегральная микросхема TL074, которая служит для усиления сигнала, напряжение которого выше напряжения питания. Для дальнейшего усиления предназначен приемный усилитель с большим коэффициентом усиления. Для измерения полезного сигнала служит первый интегратор. Во время прямого интегрирования производится накопление полезного сигнала в виде напряжения, а во время обратного интегрирования производится преобразование результата в длительность импульса. Второй интегратор имеет большую постоянную интегрирования и служит для балансировки усилительного тракта по постоянному току. Так же в схеме присутствует стабилизатор напряжения, выполненный на основе полевого транзистора TL431, с помощью которого при падении напряжения на аккумуляторе металлоискатель будет стабильно работать.

Рис. 1. Схема металлоискателя

Рис. 2. Блок-схема прибора.

Рис. 3. Схема программатора

Трудности сборки

Так как в приборе довольно много деталей, некоторые из них оказались не должного качества. Поначалу металлоискатель работал не стабильно, и чувствительность была урезана. Но после замены нескольких деталей, все пришло в норму. Так же поскольку на плате не установлено программатора, пришлось собирать его отдельно, схема показана на  Рис3. Подключение происходит с помощью COM-port имеющего разрядность 9pin, то есть 9 сигнальных потоков. Пришлось осваивать программное обеспечение для прошивки микроконтроллера. Использовалась программа PonyProg2000, которая подходит для прошивки многих микроконтроллеров.

Для изготовления печатной платы использовался метод лазерно-утюжной технологии (ЛУТ). Данный метод пользуется большой популярностью среди радиолюбителей.

Для рисования печатных плат на компьютере использовалась программа Sprint layout 5.0. После того как плата нарисована она печатается на лазерном принтере на глянцевой бумаге. Далее готовится кусочек текстолита подходящего под плату размера. Обрабатывается мелкой наждачной бумагой до блеска, после чего обезжиривается ацетоном. Далее утюгом текстолит нагревается около минуты и на медную поверхность кладут напечатанную плату и прижимают утюгом. Основательно проглаживают всю поверхность так, чтобы тонер хорошо прилип к меди. Далее текстолит остывает, после этого кладем в воду и ждем размокания бумаги. Под струей воды аккуратно отрываем бумагу от меди, не оторвав тонер от меди. Затем плата травится в растворе хлорного железа. После того как плата «протравилась» смываем ацетоном тонер с меди и сверлим отверстия. Этот способ подходит для печати сложных и больших плат, которые нарисовать вручную будет очень не просто.

Колебательный контур  выполнен из катушки диаметром 210мм,было намотано 27 витков медного эмалированного провода сечением 0.6мм и конденсатора 2200мФ. Для намотки  использовался специально сделанный стенд, - кусочек обычной фанеры и по кругу вставлены гвозди.

Функции блока управления:

 - Регулировка громкости с 7 градациями.

- Регулировка баланса (служит для загрубления чувствительности прибора с целью отстройки от грунта с высоким содержанием металлов и сведением на нет ложных наводок)

- Кнопка Reset.

2. Новые функции металлоискателя для работы в сфере заземления

На приборе установлена простейшая индикация в виде звукового сигнала и светодиодной дорожки, но процесс поиска и определение износа заземляющего контура довольно проблематично, именно поэтому стоит доработать этот блок металлоискателя.

 Заземление имеет стандартную толщину, материал изготовления, глубину установки под поверхностью земли, то можно запрограммировать микроконтроллер так, чтобы он исходя из заданных параметров мог по силе отклика определить износ заземляющего контура. Сделать это возможно с помощью программной среды AVR Studio, эта программа специально создана для работы на языке программирования «Си», с помощью этой программы можно задать нужные значения. При этом программа очень проста в освоении и в ней удобно работать.

На примере это выглядит так: Есть определенная чувствительность металлоискателя, то есть он может обнаружить монету некоторого диаметра на некоторой глубине, причем глубина зависит от размера, материала монеты. Так как чувствительность прибора не меняется, так же как и монета остается такого же размера и материала, глубина обнаружения не будет изменятся. Если мы настроим прибор таким образом, чтобы он мог определять глубину этой монеты исходя из этих данных, то выйдет весьма информативно. Но так как мы знаем, на какой глубине закопан заземляющий контур, каких он размеров, толщины, материала изготовления, то если металлоискатель будет «знать» эти параметры то при локализации контура, если металлоискатель будет реагировать на контур    слабее чем в прошлый раз, то это означает, что контур подвергся коррозии и истончился. Главное преимущество этого метода в том, что проверка требует очень мало времени. Можно быстро проверить даже довольно длинный контур.

Заключение

Металлоискатель довольно сложный прибор, но при определенных навыках и знаниях сделать его без особых проблем. Настройка занимает всего несколько минут. При определенной доработке он становится более информативным, что позволяет использовать его для определения состояния заземляющего контура.

В устройство можно внести уже известную информацию о месте  и предмете исследования для более детальной и точной информации, производить сравнительный анализ состояния кабеля.

Прибор для определения состояния заземляющего контура используется в практических целях.

Использованная литература

http://fandy.hut2.ru/ClonePI_W.htm — Страничка автора принципиальной схемы и прошивки.

http://forum.cxem.net/index.php?showtopic=47662 - Описание и техническая поддержка.

http://radioparty.ru/prog-avr/program-c/224-lesson1 — Обучение работы с программой  AVR Studio.

https://ru.wikipedia.org/wiki/PonyProg — Описание программы прошивки.

http://cxem.net/software/sprint_layout.php — Описание программы для рисования печатных плат.