Indikátor pro lokaci přesné polohy za zdí
Příspěvek prezentuje výsledky speciálně vyvinutého zařízení pro přesnou lokalizaci polohy za zdí. Je určen pro oblast stavebnictví, kde je nutné stanovit přesné polohy na obou stranách stěny. Navržený indikátor využívá principu elektromagnetického pole a skládá se z vysílací a přijímací části. Vysílač vysílá elektromagnetické vlny se specifickou frekvencí a modulací z jedné strany zdi a přijímač s nastavitelnou citlivostí na straně druhé vyhodnocuje a předává informace provozovateli indikátoru polohy. Popsané zařízení umožňuje detekovat polohu za zdí k výchozímu bodu skrze překážku tloušťky až půl metru.
1. Úvod
V některých situacích potřebujeme určit přesnou polohu za zdí, tedy přenést referenční bod z jedné strany zdi na druhou. Často je tento požadavek ve stavebnictví při nutnosti lokalizace přesného bodu pro vrtání otvoru skrze netransparentní překážku. Požadavek na vývoj prezentovaného zařízení však vycházel z RTG diagnostiky poškození dřevěných prvků staveb, kde bylo nutné najít přesnou polohu za detekovaným prvkem pro umístění RTG přístroje a bezdrátového detektoru pro přímou digitalizaci obrazové předlohy. Nalezení správné polohy pro umístění RTG přístroje a detektoru znamená dosažení optimálního RTG pole a tím získání kvalitního RTG snímku. Nalezení referenčního bodu pomocí měření vzdáleností je nejen zdlouhavé, ale i nepřesné a někdy dokonce nemožné. I přesto, že jsou známa elektronická zařízení určující polohu hledaných cílů, které pracující na různých principech (odrazu, rezonance atd.) dle podstaty hledaného předmětu nebo na bázi elektromagnetických vln (hledače rezonance, hledače kovů, detektory radioaktivity, rentgenové záření, radar apod.) chybí přístroj, který by rychle a spolehlivě určil protilehlou polohu za zdí. Stěna může být složena z více materiálů a může vykazovat jistou míru nehomogenity v závislosti na skladbě materiálů. Nalezení referenčních bodů na obou stranách jejího povrchu je technicky obtížné, zejména z důvodu útlumu signálu způsobeného vlivem jeho šíření ve zvoleném materiálu. Navrhovaný indikátor polohy se skládá z vysílací a přijímací části a pracuje na základě fyzikálních zákonů a to elektromagnetismu a rezonančního jevu [1, 2]. Základem vysílače i přijímače jsou LC obvody naladěné na stejnou rezonanční frekvenci. Aktivní vysílací část vyzařuje elektromagnetické pole, které má za následek indukování napětí v přijímacím obvodu. Posunováním přijímače po povrchu zdi je hledáno místo s největší intenzitou elektromagnetického pole. Navržený systémem jehož senzory pracují na vyhledávání maxima modulu amplitudy elektromagnetické vlny, je dosahováno vyšší přesnosti určení protilehlosti. Jako indikátor nalezení polohy může obsluze sloužit ručičkový měřicí přístroj nebo LCD displej.
2. LC obvody
Nejdůležitějšími prvky celého indikátoru jsou jeho vysílací a přijímací LC obvody. Proto byla provedena řada měření a bylo vyrobeno a odzkoušeno mnoho cívek s různými parametry. Lišily se hodnotami, tvarem, velikostí, průřezem vodiče, použitým feritovým jádrem, ale i polohou umístění. Z výsledků plyne, že jejich konstrukce a návrh má velký vliv na indukované napětí v sekundárním obvodu. Hodnoty kondenzátorů a cívek byly navrženy a vypočítány podle Thomsonova vztahu (1) tak, aby jejich rezonanční frekvence byla v oblasti 450 kHz. Na tomto kmitočtu je z praktických zkušeností zjištěna nejlepší prostupnost signálu stavebním materiálem [3].
(1)
Cívky byly navinuty na feritová jádra a pomocí RLC metru kontrolovány jejich hodnoty. Frekvence vstupního napětí vysílacího LC obvodu musela být vždy taková, aby na přijímacím LC obvodu bylo maximální indukované napětí. Tento požadavek splňuje již zmíněná rezonanční frekvence 450 kHz. Jemným laděním generátoru bylo dosaženo největší amplitudy napětí na přijímací straně. Tato měřicí technika však není příliš přesná, především z důvodu tvrdosti zdroje a BNC kabelu, který má kapacitu desítky pF/m a tvoří tak parazitní sériovou kapacitu [4]. Blokové schéma měření rezonance je zobrazeno na obr. 1.
Obr. 1 – Hledání rezonančního kmitočtu
2.1 Hledání maxima
Obr. 2 – Hledání maximální intenzity (Tx – vysílač, Rx – přijímač)
Nejjednodušším řešením vysílače je sériový LC obvod s jedním kondenzátorem a jednou vyzařovací cívkou. Vyzařované pole se indukuje v přijímací cívce a čím blíže jsme vysílači, tím větší bude indukované napětí. Mluvíme o hledání maximální intenzity elektromagnetického pole, obr. 2.
2.2 Hledání minima
Obr. 3 – Hledání minimální intenzity (Tx – vysílač, Rx – přijímač)
Kromě hledání maximální intenzity elektromagnetického pole existuje i uspořádání senzorů umožňující metodiku měření minimální intenzity elektromagnetického pole, obr. 3. Hledání minima je založeno na vytvoření alespoň třech nezávislých elektromagnetických polí, které jsou vyzařovány třemi LC obvody. Tato metoda hledání minimální intenzity je v literatuře popisována jako přesnější oproti hledání maxima, ale vyžaduje náročnější konstrukci vysílací části.
3. Realizace
Pro realizaci zařízení byla vybrána metodika měření, kdy v přímém směru vysílač vysílá signál o hodnotě maximálního modulu amplitudy elektromagnetické vlny a přijímač přijímá signál ve směru pozice vysílače, který je umístěn na optimální pozici, pro nalezení maxima modulu amplitudy elektromagnetické vlny. Elektromagnetický vysílač signálu se skládá z oscilačního obvodu, zesilovače a antény. Elektromagnetický přijímač signálu se skládá z antény, demodulačního zařízení a vyhodnocujícího prvku – indikátoru. Vysílač je napájen baterií a obsahuje nastavitelný generátor, který posílá signál na výstupní obvod. Ten se skládá z vyzařovací cívky a kondenzátoru zapojených jako sériový LC článek. Přijímací obvod je zapojen jako paralelní rezonanční LC obvod. Naindukované napětí je zesilováno operačním zesilovačem a následně koncovým zesilovačem. Usměrněný signál, filtrovaný horní propustí, se dále digitalizuje v mikrokontroléru, kde dojde k vyhodnocení a zobrazení výsledku na LCD display, který naviguje uživatele při hledání polohy. Blokové schéma popsaného zařízení je zobrazeno na obr. 4.
Obr. 4 – Blokové schéma indikátoru poloha za zdí
Všechny kroky návrhu a změny byly vždy laboratorně testovány, obr. 5. Výsledky přijímaných signálů a vysílaných byly v laboratorních podmínkách zobrazovány a porovnávány na osciloskopu, aby se detailně ověřilo chování navrhovaného systému při odlišných stavech a režimech. V postupu prací návrhu byl navržen první vnější vzhled zařízení vzhledem k parametrům jednotlivých komponentů systému. Komponenty byly postupně zkoušeny na fantomu stěny složené z nehomogenních materiálů, obr. 5.
Obr. 5 – Testování a hledání optimálního tvaru a uspořádání přijímacích a vysílacích cívek s využitím fantom zdi a heterogenních materiálůV další části výzkumu byl vytvořen selektivní zesilovač, v pásmu 220 kHz – 350 kHz, na který navazuje operační usměrňovač. Operační usměrňovač má menší úbytek napětí v propustném směru a tudíž vyšší citlivost pro přenášený slabý signál. Na obrázku 6 je zobrazeno finální řešení nedestruktivního zařízení pro určení protilehlosti dvou bodů pomocí měření maxima modulu amplitudy elektromagnetické vlny navrženého vysílače, pracovně nazvaného Opposite Pack. Zařízení bylo testováno na vzdálenosti vnějších povrchů protilehlých míst od 200 mm do 500 mm. U vzdálenosti 330 mm bylo dosaženo přesnosti polohy při testovacím režimu s homogenním i nehomogenním materiálem s odchylkou od pozice ±2 mm. Při menších vzdálenostech lze dosáhnout přesnějších výsledků nalezení protilehlosti, ale je nutné, pomocí přepínače, snížit citlivost vstupních obvodů na straně přijímače, aby nebyly saturovány indukovaným napětí. Velmi dobrých parametrů citlivosti ke změně polohy antén vůči sobě bylo dosaženo i na maximální vzdálenosti 500 mm v kolmém směru a s odchylkou od pozice ±5 mm. Navržené zařízení tedy pracuje v deklarovaných parametrech do maximální vzdálenosti 500 mm. Při určování protilehlosti je vhodné postupovat s navrženou metodikou, aby bylo dosaženo opakovatelnosti uvedených parametrů.
Obr. 6 – Zařízení Opposite PackOptimální pracovní postup začíná kalibrací, která představuje sladění vysílací a přijímací části pomocí potenciometrů na vysílací straně. Na pevně dané vzdálenosti vysílací a přijímací části je postupně pohybováno ladicími potenciometry, dokud není na indikátoru přijímače získána maximální hodnota napětí při minimálním zesílení na straně přijímače. Poté je vysílací přístroj umístěn za zeď. Protilehlý bod se následně hledá přijímacím obvodem, kterým je pohybováno ve vertikálním a horizontálním směru, dokud není nalezeno místo s maximální hodnotou napětí při daném zesílení, které je nastaveno dle daného prostředí a dané vzdálenosti.
4. Závěr
Tento příspěvek pojednává o vývoji speciálního zařízení určeného pro přesnou lokalizaci polohy za zdí. Koncept indikátorů polohy s mikroprocesorovým řízením a deklarovanými parametry (vzdálenost, přesnost určení protilehlosti) je součástí podané ochrany duševního vlastnictví. Indikátor je primárně určen pro oblast nedestruktivní detekce poškození dřevěných prvků staveb pomocí RTG zařízení a pro oblast stavebnictví, kde je třeba lokalizovat přesnou polohu protilehlých dvou bodů opačných ploch jedné stěny. S očekávanou tolerancí nalezení pozice bodů lze systém použít pro stavební materiály, nejen dřevěné stavební prvky, ale například i pro betonové nebo kamenné stavební prvky při sanačních a dalších stavebních činnostech. Navržený indikátor využívá principu šíření elektromagnetické vlny a skládá se z vysílače a přijímače. Vysílač vysílá elektromagnetické vlny z jedné strany zdi a přijímač s nastavitelnou citlivostí na druhé straně vyhodnocuje a předává informaci obsluhujícímu technikovi o poloze vysílače. Metoda je navržena pro vyhledávání maxima modulu amplitudy elektromagnetické vlny navrženého vysílače. Popisované zařízení umožňuje detekovat polohu až do vzdálenosti půl metru s přesností ±5 mm.
Poděkování
Příspěvek byl vytvořen za finanční podpory FEKT-S-14-2545/2014, SIX CZ.1.07/2.3.00/30.0005 a společnosti Thermo Sanace s.r.o.
Literatura
- [1] Hájek, J., Jarchovský, Z. Detektory kovu – návod na stavbu: princip zapojení a praktické návody na tři konstrukce. 1. vyd. Praha: BEN – technická literatura, 2010, 250 s. ISBN 978-80-7300-220-6.
- [2] Hájek, J. Elektronické hledače. 1. vyd. Praha: BEN – technická literatura, 2001, 103 s. ISBN 80-730-0011-3.
- [3] Vágner, P. Vysokofrekvenční technika. Brno, 2013. Skriptum. Vysoké učení technické v Brně.
- [4] Nováček, Z. Elektromagnetické vlny, antény a vedení: přednášky. vyd. 1. Brno: VUT FEKT, ústav radioelektroniky, 2006, 133 s. ISBN 8021433019.
The paper presents results of specifically developed device for exact localization of the position behind a wall. It is intended for the construction sector where it is necessary to specify exact positions at both sides of the wall. The designed indicator uses the principle of electromagnetic field and it consists of a transmitting part and a receiving part. The transmitter emits electromagnetic waves at a specific frequency and by modulation from one side of the wall and on the other side; the receiver with an adjustable sensitivity evaluates and transmits the information to the operator of the position indicator. The described device makes it possible to detect position behind the wall against the initial point through the barrier thickness up to half a meter.
