Danas je nabavljen detektor metala američkog proizvođača METROTECH model 220A iz 1970. godine. Tvrtka Metrotech na tržištu je od 1960-tih godina, a 2009. godine spojila se tvrtkom Vivax te i danas proizvodi detektore metala kao i čitav spektar sličnih elektroničkih uređaja za detekciju i lokaciju zakopanih i teško dostupnih predmeta. Detektor metala model 220A primarno je razvijen za detekciju metalnih cijevi i električnih kabela zakopanih do 2,5 metara dubine, dakle za upotrebu u naftnim, električarskim, građevinskim, komunalnim i sličnim tvrtkama.
Postoji više vrsta i tipova detektora metala, a zajedničko im je to što koriste princip detekcije promjena koje nastaju kad neki metalni predmet zahvati električno magnetsko polje. Prvi detektori metala bili su izvedeni sa jednom zavojnicom, a radili su na principu mjerenja promjene impedancije te zavojnice koju bi uzrokovali metalni objekti u njenoj blizini. Promjena impredancije mjerila bi se tako da se zavojnica veže u krug oscilatora, te kako bi se mijenjala njena impedancija tako bi se mijenjala i frekvencija oscilatora. Ta frekvencija bi se uspoređivala (miješala) sa referentnom frekvencijom pa bi kao razlika nastala međufrekvencija u čujnom zvučnom području koja bi se detektirala u slušalicama (BFO detektori).
Noviji detektori metala obično su rade na principu elektromagnetske indukcije i imaju dvije zavojnice, odašiljačku i prijemnu. Odašiljačka zavojnica pobuđuje se kontinuiranom sinusnom ili impulsnom strujom te tako pobuđena stvara promjenjivo magnetsko polje. Ukoliko se u takvom promjenjivom magnetskom polju nađe neki metalni predmet u njemu će se inducirati vrtložne struje. Ove struje generiraju svoje (sekundarno) magnetsko polje koje se zatim detektira prijemnom zavojnicom. Napon koji će sekundarno magnetsko polje inducirati u prijemnoj zavojnici ovisi o niz faktora; od jačine pobude, preko vrste, dimenzija i položaja metala do karakteristika i značajki tla u kojem se metal nalazi. Optimalna frekvencija za ovakve detektore pak ovisi o izvedbi zavojnica, vrsti i veličini metala koji želimo detektirati, očekivanoj dubini na kojoj se metal nalazi te značajkama tla i uobičajeno se bira u rasponu između 30Hz i 100 kHz. Prednosti induktivnih detektora su: velika osjetljivost, velika brzina odziva i jednostavnost konstrukcije.
Uobičajene su dvije vrste induktivnih detektora metala, jedni koji koriste kontinuirani sinusni pobudni napon i drugi koji koriste impulsni napon.
Detektori sa kontinuiranom sinusnom pobudom nazivaju se CW (eng. Continous wave ) ili FD (engl. frequency domain). Kod ovih induktivnih detektora važna je geometrijska izvedba zavojnica jer treba postići što bolje potiskivanje izravnog međudjelovanja odašiljačke i prijemne zavojnice (koje cijelo vrijeme istovremeno i kontinuirano rade) kako bi prijemna zavojnica bila osjetljiva samo na sekundarno magnetsko polje koje dolazi od metala, a ne i na primarno odašiljačko magnetsko polje od predajne zavojnice. Tu nema univerzalnog pravila nego se na različitim vrstama tla bolja potiskivanja postižu različitim izvedbama zavojnica jednako kao što se s druge strane različitim izvedbama zavojnice dobivaju i različite osjetljivosti i preciznosti detekcije različitih metala.
Detektori sa kontinuiranom pobudom mogu koristiti jednu ili više pobudnih frekvencija. Detektori sa više frekvencija koriste obično dvije ili tri frekvencije, no neke posebne izvedbe koriste i do 28 frekvencija. Pojedini metali prilikom induciranja svojeg sekundarnog napona mijenjaju fazu i oblikuju amplitudu primarnog pobudnog napona na neki svojstveni način. Na temelju tih inače vrlo malih promjena faze i amplitude sekundarnog napona induciranog na prijemnoj zavojnici može se dobiti informacija o vrsti i veličini metala koji je detektiran, no tu je potrebno osigurati vrlo veliku preciznost i stabilnost faze pobudnog signala jer se isti onda pri tome koristi i kao referentni signal. Naravno, sama metoda detekcije vrste metala zasniva se na usporedbi izmjerenih podataka sa nekom bazom ranije izmjerenih podataka gdje je prepoznat neki svojstveni potpis metala gleda veličine frekvencijskog pomaka, no ne treba ovdje očekivati potpunu točnost detekcije jer na promjenu faze sekundarnog polja utječu i drugi faktori, u prvom redu vrsta tla. Detektori sa više pobudnih frekvencija mogu biti točniji u prepoznavanju odziva različitih objekata, niže frekvencije su bolje za detekciju većih i feromagnetskih objekata te za veće dubine, dok su više frekvencije pogodnije za manje i dobro vodljive metale.
Za detektore sa impulsnom pobudom koristi se skraćenica PI (engl. pulse induction) ili TD (engl. time domain ). Ovi induktivni detektori rade na principu mjerenja vremenskog odziva napona na prijemoj zavojnici, a koji nastaje neposredno nakon slanja pobudnog impulsa preko odašiljačke zavojnice (slično kao kod radara, sonara ili ultrazvučnog mjerača udaljenosti). Time su komponente predajnog i prijemnog polja razdvojene u vremenu pa nema pojave izravnog međudjelovanja predajne zavojnice na prijemnu. To u praksi znači da i geometrijske izvedbe zavojnica impulsnih detektora mogu biti jednostavnije, a mogu se i pobuđivati jačim impulsnim strujama čime se postiže veća dubina detekcije (što je korisno na izrazito vodljivim ili magnetičnim terenima). No, s druge strane generatori pobudnog napona kao i detektori sekundarnih napona su elektronički nešto složeniji od onih u detektrorima sa kontinuiranom pobudom. Spomenimo još da se vremenske konstante impulsnih detektora obično kreću u rasponu od 10-100 mikrosekundi, a optimalni izbor konstante opet ovisi o električnim, magnetskim i geometrijskim svojstvima metala kojeg želimo detektirati. Jednako kao i kod detektora sa kontinuiranom pobudom i kod impulsnih detektora je moguća detekcija vrste i veličine metala te dubine u kojoj se nalazi na osnovu usporedbe karakterističnih potpisa vremensko frekvencijskih značajki signala i konstanti prigušenja kod analize odziva impulsnog detektora, no i tu vrlo lako može doći do pogreške, u prvom redu zbog oblika, orjentacije i položaja metalnog objekta u tlu.
Do danas su razvijene neke kompleksne metode u cilju što točnije detekcije vrste i parametara objekta koji je detektiran u tlu te smanjenja broja lažnih detekcija no to već zalazi u usko specijaliziranu profesionalnu primjenu i skupe uređaje koje prosječni korisnik zasigurno neće imati priliku nabaviti. Ono pak što svaki i najjednostavniji detektor metala obavezno mora imati to je neka kontrola za kompenzaciju utjecaja tla. Odašiljačko i sekundarno magnetsko polje prolazi kroz tlo koje unosi gušenje i fazni pomak u signal, što utječe na osjetljivost detektora i točnost detekcije vrste metala. Svaka vrsta tla ima svoje specifičnosti, a posebno veliki problem predstavljaju nehomogena i jako vodljiva tla. U svakom slučaju kod svake promjene vrste i homogenosti tla treba izvršiti kompenzaciju, odnosno podesiti osjetljivost i/ili balans zavojnica metal detektora kako bi detekcija uopće bila moguća.
Cilj ovog uvodnog članka je ukazati na zaključak kako ne postoji univerzalni metal detektor koji je najbolji u svim uvjetima i za sve primjene. Rad sa detektorom metala je složen proces gdje na uspješnost detekcije utječe niz faktora. Bolji i skuplji detektori obično imaju ugrađene napredne funkcije (više frekvencija, precizne fazne komparatore i sl.) koje značajno usložnjavaju konstrukciju detektora ali i u nekim slučajevima donekle bolje kompenziraju različite neželjene utjecaje i pojave koje prate proces detekcije metala ispod površine zemlje. No treba biti svjestan činjenice da i takvi skupi detektori koriste gotovo istu zavojnicu i potpuno isto magnetsko polje kao i naš detektor iz 1970. godine. To što je analogni instrument zamijenjen LCD-om ne znači da imamo bolji detektor. Ako je ugrađen diskriminator on programski može raditi savršeno ali samo ako dobiva savršeni odziv preko (opet one iste) zavojnice (što u praksi vrlo često ne mora biti slučaj). Kad testirate neki metal detektor najlakše je na zemlju baciti neki komad metala pa onda mahati preko njega detektorom. Međutim, taj test samo pokazuje da li detektor radi ili ne te govori ništa više o njegovim svojstvima. U praksi tražimo skriveno zlato pod zemljom, a pod istom tom zemljom može biti skriven još čitav niz drugih električki ili magnetski više ili manje vodljivih materijala te drugih nehomogenosti koje utječu na magnetsko polje detektora i izobličavaju njegov odziv. Zemlja prigušuje magnetsko polje detektora daleko jače od zraka, stoga zaboravite na detekciju zlatnog novčića negdje na 1 metar ispod zemlje. Prosječni metal detektor pouzdan je u najboljem slučaju do svega nekoliko centimetara dubine, što ima i dobru stranu, jer u slučaju lažne detekcije barem nismo morali duboko kopati 🙂
Naš METROTECH detektor metala na testu je pokazao da je neispravan, odnosno izostaje svaka zvučna ili instrumentalna indikacija. Utvrđeno je da je neispravan instrument, koji je serijski vezan u krug napajanja elektronike metal detektora. Radi se o mikroampermetru sa punim otklonom na 200 μA. Ovakve osjetljive instrumente gotovo je nemoguće popraviti u kućnim uvjetima, te je najbolje instrument zamjeniti. Problem je što je u našem slučaju instrument vrlo specifičnog dizajna i izgleda skale koji uz to čini zaokruženu konstrukcijsku cjelinu sa ostatkom kućišta detektora.
Na gornjim slikama vidi se jednostavna konstrukcija metal detektora METROTECH 220A prilagođena širokom krugu korisnika od kojih se ne traže posebna znanja vezana uz rad metal detektorima. Detektor se napaja jednom baterijom od 9V. U originalu je korišten stari tip ovakve baterije, koja je bila valjkastog oblika i nešto veća od današnjih baterija kvadrtnog oblika. S obzirom da je danas valjkaste baterije od 9V teško nabaviti, gotovo svim detektorima tipa 220A originalni konektori zamijenjeni su ovima prilagođenima za nove baterije. Ne možemo znati zašto je kod našeg primjerka detektora došlo do pregaranja instrumenta, no vrlo je vjerojatno da je netko iz nepažnje ili neznanja na kontakte instrumenta izravno spojio kontakte baterije od 9V čime je potekla dovoljno jaka struja kratkog spoja da uništi osjetljivi instrument.
Vidimo da METROTECH 220A od kontrola ima samo jedan potenciometar sa sklopkom. No, napajanje detektora se zapravo uključuje priključivanjem slušalica u pripadajuće gnijezdo. Kad je sklopka potenciometra isključena instrument mjeri napon baterije. Uključenjem sklopke detektor prelazi u mod mjerenja detekcije metala gdje se potenciometrom namješta osjetljivost. Početna osjetljivost se namješta tako da se potenciometrom kazaljka instrumenta namjesti na početak otklona (crno polje na skali instrumenta). Na taj način će instrumet odmah reagirati na odziv.
Postavljanje pravilne osjetljivosti je od velike važnosti za daljnji rad detektorom. U slučaju da postavimo preveliku osjetljivost detektor će snažno reagirati na bliske i velike komade metala pri čemu kroz instrument može poteći struja do 2000 μA dakle deset puta veća od nominalne za instrument. Iako to vjerojatno neće odmah izazvati pregaranje instrumenta kazaljka će udariti u krajnji desni položaj čime je bilo kakvo mjerenje onemogućeno. Zato je uvijek najbolje polako otvarati potenciometar dok ne dovedemo instrument na prag reakcije.
Osjetljivost se dakle podešava potenciometrom, no grubo podešavanje može se namjestiti i posebnim vijkom na gornjoj strani ploče sa zavojnicama detektora, što je također vidljivo na gornjim slikama.
Nakon što smo čitav mikroampermetar rastavili i ispitali nedvojbeno smo došli do zaključka da je prekid negdje u samoj zavojnici. Čak i da uspijemo odmotati navoje zavojnice kako bi došli do podataka o debljini i dužini žice, te čak i ako uspijemo ponovno namotati novu žicu, još uvijek bi bilo nemoguće precizno i kvalitetno fiksirati kontakte, odnosno osovine zakretne zavojnice zalijepljene preko samih namota.
Uočavamo da se kod ovog mehanizma ne koristi torziona nit nego spirala koju je daleko lakše montirati i demontirati sa mehanizma, no, kvar instrumenta je ipak na najgorem mogućem mjestu – na navojima vrlo tanke Cu lak žice zavojnice.
S obzirom da je vanjski izgled instrumenta vrlo specifičan i precizno uglavljen u konstrukciju kućišta metal detektora, najviše izgleda za popravak daje pokušaj ugradnje nekog sličnog ispravnog mehanizma mikroampermetra u postojeće kućište ovog neispravnog instrumenta. Za nekoliko dolara preko interneta je naručen ugradbeni mikroampermetar raspona od 200 μA. Slika prikazuje rastavljen originalni instrument (desno) i djelomično rastavljen novi instrumet (lijevo).
Mehanizam novog mikroampermetra je, kako smo i očekivali, potpuno drugačiji od originalnog koji je bio ugrađen u naš metal detektor. No, ipak ćemo ga pokušati prilagoditi originalnom kućištu. Za početak je uklonjen višak plastičnog okvira kućišta tako da se dobije okrugli oblik koji stane u originalno kućište.
S obzirom da je dužina kućišta prevelika skratili smo, koliko god je bilo moguće i kućište po dužini. Iskorišten je originalni nosač skale i metalno ojačanje sa zadnje strane.
Ovdje se vide i dvije rupe izdubljene u plastiku koje služe za vijke kojima ćemo naš novi mehanizam pričvrstiti za zadnju stranu originalnog kućišta instrumenta.
Nakon nekoliko desetaka sastavljanja i rastavljanja, prilagođavanja, brušenja, namještanja, pa opet sastavljanja i rastavljanja uspjeli smo centrirati i smjestiti u originalno kućište prilagođeni mehanizam novog instrumenta. Bilo je potrebno rezanje i savijanje kazaljke, prilagodba gumba za namještanje nule… Novi mehanizam je bio pola milimetra duži od originalnog kućišta pa je bilo neophodno napraviti mjesta za zadnje strane. No, sada je novi mehanizam čvrsto uglavljen u originalno kućište, a prednja strana je vrlo slična originalu. Malo štete koju smo morali napraviti na zadnjoj strani možemo prekriti komadićem plastike, no ona se ionako ne vidi u unutrašnjosti kućišta.
Slike na vrhu objave prikazuju metal detektor METROTECH 220A sa popravljenim instrumentom. Testiranje ovog detektora u stanu unutar zgrade nema smisla jer detektor jako reagira na betonsku armaturu podova, odnosno stropova. Na radnom stolu napravili smo mali detektor magnetskog polja koje generiraju zavojnice. Jednostavno smo spojili malu zavojnicu sa feritnom jezgricom na sondu osciloskopa te istu približili zavojnici detektora. Evo oscilograma koji smo snimili.
Vidimo impulse u trajanju nekoliko desetaka mikrosekundi koji se ponavljaju svake cca 3,5 milisekunde. S obzirom na broj kontakata ovaj detektor ima vjerojatno dvije zavojnice od kojih je jedna predajna, a druga prijemna. Vidimo impulsni odziv pa se vjerojatno radi o tipu detektora sa impulsnom pobudom. Ovo je za očekivati jer je detektor namijenjem za detekciju metalnih predmeta na većim dubinama gdje diskriminacija nije toliko bitna.
Pri pokušaju mjerenja signala osciloskopom izravno na kontaktima zavojnice detektora dobili smo izrazito čisti sinusni valni oblik izmjenične struje frekvencije 50 Hz sa vrijednostima preko 20 V od vrha do vrha. Naime, zavojnice detektora izvrsno hvataju elektromagnetsko zračenje koje proizvode različiti vodovi i električni uređaji spojeni na gradsku električnu mrežu, posebice oni sa ugrađenim mrežnim transformatorima. Zato bi ovaj signal bilo potrebno snimati također u kontroliranom okruženju bez parazitskihelektromagnetskih polja.
Kao što se vidi na slikama i zavojnice i elektronika našeg metal detektora zalivena je u neku plastičnu smjesu i time izravno nedostupna za servis i testiranje. Na kraju nam ostaje ovaj naš metal detektor isprobati na terenu. Iako nam je neispravni instrument zadao dosta brige, sav taj trud mogao bi biti ništa prema kopanju rupa u zemlji svaki puta kada detektor nešto otkrije. Stoga daljnje testiranje našeg detektora METROTECH 220A nema smisla nastaviti prije nego se za tu svrhu nabavi neka dobra lopata 🙂