О графитировании корпусов датчиков. «Экран Фарадея» или где был бы Фарадей? :)

Вместо вступления

Графитирование датчиков металлодетекторов — та тема, которую меня попросили поднять и обсудить сразу несколько человек. Выполняю просьбу. Хотя, признаться, мне немного обидно с той точки зрения, что как раз теме графитирования было посвящено целых два выхода в «эфир» в режиме видео-аудио конференции, где я очень подробно рассказывал о этой проблеме и о том, до чего «допёр» своими мозгами, изучая данную тему. Для этого, правда, пришлось перелопатить немало специальной литературы.

Сразу хочу попросить не приписывать мне какие-то заслуги по изобретению теорий. Это вовсе не моя теория. Я просто проанализировал процессы и суть происходящего в свете тех знаний, которыми обладаю и, к которым сумел докопаться с помощью старика Гугла. Так что моей заслуги здесь особо нет.

Разве что можно поблагодарить за внимательность и может быть ещё за настойчивость. Почему за настойчивость?

Да потому, что вопрос: «Накой графитить корпус датчика?» в моём мозгу висел с далёкого 2014 если не с 2013 года. И я час от часу то в одном, то в другом форуме или каком-либо паблике да и в личных беседах с мастерами пытался выяснить: «А зачем, соббббсссственно»? Нужно ли объяснять, что ответы меня не удовлетворяли!?

Не буду описывать ответы подробно. Вы их все, пожалуй, и без моих комментариев прекрасно сами знаете. Озвучу лишь самые умные из них.
Например:
«Экранировка корпуса датчика нужна для того, чтобы… убрать помехи»
(чаще всего на этом всё! Без пояснений… От слова совсем. 🙂 )
И когда ты начинаешь пытливо дознаваться от каких таких помех мы спасаемся этим самым «экраном», то тут же возникает ещё дюжина вопросов, ответы на которые вообще найти очень сложно. Тут, как правило, начинаются споры, «кто о чём»…. и,
в общем то, полный балаган. Не комментируя особо весь тот бред, что доводилось читать и слышать, скажу лишь то, что для себя вынес квинтэссенцию всего этого — нужно спасаться от ложных сработок при касании корпуса датчика о мокрую траву! Да и вообще от «ложняков».

Итак, «Экран — защита от ложных срабатываний.» Так и запишем…

Садись, …. 2 !!!

Но… Мой пытливый ум всё же не удовлетворялся столь «отфутбольным» и простым ответом. Для меня лично он звучит примерно так:
«Слышь, чувак, ты что лох? И не понимаешь что тебе говорят дяди?!
Тебе же ясно сказано — от по-мех!!!
Вот иди и делай ровно так, как тебе сказали!
Чё пристал?! И не мешай тут…
Не видишь, мы тут датчики строим!?»

После подобных «объяснений» (образно, конечно и достаточно примерно ), я вовсе перестал кого-либо о чём-либо спрашивать на эту тему. Но не переставал искать …

Что меня заставляло это делать? Почему я не удовлетворился подобными простыми ответами?

Видишь суслика?…. Нет? … А он там есть !!!

Отвечу. Для меня, как для специалиста, всю жизнь проработавшего с электроникой в различных её проявлениях (в основном, конечно, с микропроцессорной техникой) сам термин «ЭКРАН» говорит о многом. Когда я его слышу, то чётко понимаю, что я должен что-то от чего-то наглухо защитить и ни в коем случае не пропустить.
На всякий случай замечу — ЭКРАН не равно ФИЛЬТР !!!

В нашем случае мы имеем дело с электромагнитным излучением и переменным электрическим полем. Нет, я конечно же, понимаю, что бывают экраны разные, в том числе и частично экранирующие, и ещё много разных других. Но, постараюсь выразить свою основную мысль — суть этого всего в том, что графитовый слой призван выполнять и выполняет совершенно иную функцию! Физически иную!
И именно поэтому называть его экраном просто глупо и неправильно!

Тх контур нашего датчика излучает электромагнитные колебания на частоте своего резонанса и наша задача, казалось бы, сделать всё возможное, чтобы ничто не препятствовало прохождению ЭМ энергии ( или волны ) в направлении исследуемой поверхности и обследуемой цели. Ан нет! Выходит, что оказывается мы ставим на пути ЭМ волны «экран» ( для чего-то… Но об этом потом ).

И вот именно этот момент мне никогда не давал покоя. Я всегда думал примерно так: «Ну, вот скажи, Олег, ну какой идиот будет устанавливать на пути излучения радара в сторону цели «экран»? Чтобы что? Чтобы понизить мощность, которую мы с таким трудом подводим к передатчику? Или для чего? Может быть для того, чтобы потом ослабить принятый назад от цели сигнал?»

Эти размышления не давали мне покоя. И я понимал, что что-то тут не так!
Ну, не работает всё это! И любой инженер, поступи он так, выглядел бы полным идиотом! Ну, право же!!!

Нет! Конечно же, я отлично понимаю, что у нас не радар, что наш, типа, «экран» используется не для подавления сигнала, а для… (поставьте тут сами то, что Вам более ближе). Но, пардон друзья, а какой же тогда это экран, если он ничего не экранирует, а пропускает? Хорошо, скажете Вы — не придирайся к терминологии.
Но я — зануда! Буду придираться!!! Попросту потому, что это не экран!

При этом функции графитового покрытия, которое мы наносим на корпуса своих датчиков (а кто-то и/или обмоток) даже рядом не лежали с функциями реальных экранов!!! И я лично ЗА то, чтобы не смешивать Божий дар с яичницей, то есть не мешать термины и не путать их!

А то бывает почитаешь форумы и такое впечатление, что люди ( и часто далеко не простачки в электронике ) даже в помине экранов то ли не видели и не знают их принципа действия и назначения, а то ли специально вводят в заблуждение.

Эврика!

В общем, вот такие мысли не давали покоя долгое-долгое время. Пока не так давно меня реально не осенило! При прочтении одной очень интересной статьи, вообще никак не связанной с металлодетекторами и тем более с датчиками, ко мне пришло буквально озарение и я чуть не воскликнул: «Эврика!»

В статье речь шла о поляризации диэлектриков в электрических полях. В том числе в переменных. Статью я «нарыл», размышляя над одним проектом по работе. Для тех кто ещё не в курсе — я работаю в одной фирме, которая занимается производством приборов и систем для высоковольтных испытаний. Я разрабатываю, изготавливаю опытные образцы, налаживаю и запускаю в серии системы управления такими установками на базе микропроцессоров и микроконтроллеров. И вот, как раз-таки, статейка была посвящена диэлектрикам и их испытаниям на пробой и измерениям их различных характеристик. В общем, мне повезло — я «держал в руках» то, что наконец-таки дало ответ на все мои вопросы, касающиеся покрытия графитовым слоем датчиков металлодетекторов. Ниже я поделюсь некоторыми ссылками, где вы также об этом что-то сможете почитать или посмотреть.
Так вот… Теперь — к сути!

Поляризация. Диполь. Домен. Эквипотенциал. Напряжение. Ток разряда. И другие прелести…

Я утверждаю, что «фирмачи» и мы с вами, дорогие камрады, делаем вовсе не экраны! Отнюдь! Иначе бы мы были похожи реально на каких-то чудаков, которых я описал чуть выше. Нанося графитовый слой на всю поверхность датчика и заземляя этот слой на «корпус» ( общую точку ) прибора, мы тем самым обеспечиваем эквипотенциальность поверхности корпуса датчика. А подключая этот слой к общей точке мы принудительно задаём значение потенциала на нём, равное потенциалу общей точки, то есть — НОЛЬ !

Сложно? Отнюдь. Опишу всё это более подробно.

Само понятие эквипотенциальность, в общем то, очень простое.
Само слово — составное. Состоит из слов экви ( эквивалентно или равно ) и потенциал (ну, тут без коментов).
Тобиш, поверхность с равным потенциалом, если упростить.

И вот именно в этом и кроется смысл и назначение графитового покрытия.

Но, друзья, ведь это совершенно далеко от функций экрана, которые суть: не пустить, отразить, закрыть, убрать какую-то помеху, как обычно и полагают. Задача же нашего графитового слоя состоит именно и только в выравнивании потенциала по всей поверхности корпуса датчика!!! Точка!
Других задач это «устройство» просто не имеет!

Теперь о том, зачем это нужно? Я не зря упомянул о поляризации диэлектриков и о научной статье, на которую я наткнулся. Дело вот в чём…

При помещении любого диэлектрика в электростатическое или переменное электрическое поле в этом диэлектрике по-любому будет возникать физическое явление, именуемое поляризацией.
Я не буду подробно останавливаться на физике этого процесса, хотя уверяю Вас, дорогие друзья, она очень интересна и я от души рекомендую ознакомится с ней. Повторяю — ссылки я дам ниже.

Так вот… В следствие этого, достаточно сложного, физического явления и в следствие неоднородности нашего корпуса ( как самого материала, так и чисто механических и пространственных неоднородностей ) мы 100% получим зоны на поверхности корпуса датчика с различными дипольными потенциалами.

Таких зон может быть сколь угодно много и они могут быть различных размеров: от микроскопических до громадных ( относительно конечно же ).
Но.. Не стоит забывать, что размер атома — 1 ангстрем, а молекул — единицы до десятков ангстрем (в зависимости от молекулы). То есть размеры крайне малы!
На площади в 1 квадратный миллиметр влезло бы, пожалуй, не одна тысяча, если не сотня тысяч молекул, каждая из которых представляет из себя диполь, который под действием нашего внешнего электрического поля ориентируется в том или ином направлении, выстраиваясь по силовым линиям поля.

Группируясь в так называемые домены, диполи образуют целые островки с той или иной степенью концентрации, а стало быть мы с вами получаем жутко неоднородную с точки зрения распределения зарядов внутри диэлектрика поверхность. А стало быть на поверхности нашего диэлектрика возможно формирование целых областей с различными потенциалами: Ф₁, Ф₂, Ф₃….Ф_n
И вот это очень важно понимать!

Такую поверхность нельзя назвать ( считать ) эквипотенциальной.
Надеюсь, что это понятно.

Ну, и теперь начинаем вспоминать курс физики за 7 или 8 класс ( точно уж и не помню).
Что такое напряжение, обозначаемое в электротехнике и электронике латинской буквой U? Всё просто — это разность потенциалов.
Иными словами U = Ф1 — Ф2.
Если потенциалы Ф1 и Ф2 равны, то мы получаем нулевое напряжение, то есть его попросту нет и U = 0
Если же потенциалы не равны, то мы получаем некоторое напряжение, равное разности потенциалов: U = Ф1 — Ф2.

Ну, а коль скоро мы получили разность потенциалов на поверхности диэлектрика, то, разумеется, мы уже тем самым обеспечили одно из условий протекания электрического тока.
При этом стоит понимать, что наличие только, собственно, напряжения ещё не гарантирует протекания тока. Нужны также ещё и условия, при которых ток может возникнуть. Также напомню, что ток — это направленное движение электрических зарядов.

Однако, обо всём этом потрудитесь почитать сами, если забыли или не знали.
Или спросите меня отдельно, на форуме или здесь, написав комментарий.
Просто не хотелось бы заострять внимание на столь детальном описании проблемы и углубляться в фундаментальные вещи, которые должны быть известны всем со школьной скамьи. Тем более, что именно в этой части здесь всё очень просто.

Есть разность потенциалов ( или что тоже самое — напряжение на участке диэлектрика ) — значит есть возможность протечь току.
Нет разности потенциалов — нет и основной предпосылки для протекания тока!

Также не забываем, что внутри всей этой нашей «красоты» покоится наш чувствительный элемент прибора — приёмная антенна, подключенная сначала к усилительному звену и потом к чувствительному фазовому детектору. При этом также не лишним будет помнить, колебательный контур антенны имеет резонанс на некоторой частоте, а стало быть антенна способна в сотни раз ( как минимум ) увеличивать амплитуды принимаемых сигналов. Правильнее было бы сказать, что любое сколь угодно ничтожное воздействие на такой контур способно влиять на его поведение и изменять сигнал, принимаемый им.

И всё это я клоню к тому, что столь чувствительный входной тракт нашего металлодетектора очень даже легко может реагировать на малейшие возмущения, коим и может являться протекание микро-токов по поверхности диэлектрика
(а может быть и не только по поверхности).

Кроме этого.
Даже если принять, что у нас нет никаких доменов, сформированных
молекулами-диполями материала пластика, то всё равно у нас есть общая полная поверхность диэлектрика, поляризованная в электрическом поле, излучаемом нашим контуром Тх.
Потенциал её, как я уже показал, будет отличаться от окружающей корпус среды.
И именно в следствии явления поляризации диэлектрика!
Уже этого одного факта вполне достаточно, чтобы наш датчик ловил «ложняки»!

Как? — спросите вы. Да очень просто!

И именно здесь, как раз-таки, вступает в игру наша трава.
Кстати сказать, не обязательно мокрая! Хотя, разумеется, (надеюсь понятно почему) мокрая трава будет гораздо более охотно взаимодействовать с датчиком.
Суть происходящего в таком случае тоже очень проста.

А именно. На поверхности датчика имеем некоторый заряд, вызванный поляризацией и отличный от потенциалов окружающего пространства.
Теперь представьте, что Вы касаетесь такой «заряженной» поверхностью чего-либо
( кстати сказать, не обязательно даже травы ), желательно влажного и неплохо проводящего электрический заряд.
Представили?
Ну, да! Верно!
В момент касания такой «заряженной» поверхностью к чему-либо мы получим её разряд на нашу Землю-матушку через эту самую влажную травинку или стерню, или мокрую ветку и т.п. В итоге протечёт электрический ток разряда c нашей поверхности ( пусть даже и эквипотенциальной, но не заземлённой и имеющей, повторяю, отличный от земли потенциал ).
Мы получаем в нашей приёмной катушке — импульс от «броска» такого микро-тока, который и раздаётся в динамике нашего прибора очередным «ложняком»!

В общем то, это почти всё. Почему почти? — спросите вы.

Потому, что ещё хотелось бы напомнить некоторым из нас, что несколько производителей датчиков и приборов применяют для решения этой проблемы добавки или присадки к своим полимерным материалам, из которых они изготавливают корпуса датчиков.
И угадайте теперь зачем?

Да, да! Именно затем, чтобы сделать поверхность всего корпуса датчика эквипотенциальной! То есть однородной с точки зрения распределения зарядов и потом всё это «хозяйство» подключают к общей точке прибора, «заземляя» всё это.

Таким образом мы получаем вполне однородную ( с точки зрения зарядов ) поверхность датчика при этом подключенную к потенциалу — НОЛЬ
( то есть к «земле прибора» — к общей точке ). Соответственно, теперь никакие заряды накопиться на такой поверхности просто не могут, но постоянно будут стекать на нашу общую точку, не вызывая никаких проблем и ложных сработок фазового детектора.
По сути это и всё.

Теперь пару выводов, которые я хотел бы озвучить.
Сразу скажу — я не проверял, но предполагаю, что это так.
Просто логика приводит меня к подобным выводам.

1) Было бы гораздо лучше, если бы слой графита был бы более толстым.

Для этого стоит разводить графит с лаком или «драконом» не так , как обычно для промазывания в один слой, ну в два.

А делать раствор с более большим удельным сопротивлением. Тогда мы сможем положить, скажем, десять тонких слоёв один на другой, получая при этом гораздо бОльший объём графитового покрытия с тем же самым сопротивлением, что и в один-два слоя. Повторяю — это только мои предположения. Я не пробовал.

2) Круто было бы, если бы те производители, которые штампуют листы полистирола или ABS-пластика для изготовления датчиков добавляли бы в материал какую либо присадку, которая уменьшает поляризуемость пластмассы (диэлектрика).

Что такое поляризуемость — почитайте в литературе по ссылкам.
То есть , чтобы наш диэлектрик корпуса поляризовался бы куда сложнее, чем он это делает сейчас. Либо добавляли какой-то состав (только вот какой?), который бы позволял бы, как и графит , делать весь объём корпуса датчика эквипотенциальным, но имел бы более «крутые» характеристики.

3) Те, кто графитит сами обмотки — по сути и практически делает тоже самое, но в гораздо более мелком объёме: то есть лишь на поверхности сосредоточенной только вокруг обмоток. Всё остальное точно также, как я только что описал выше.

При этом те, кто так делает, находятся в бОльшем выигрыше (на мой взгляд). Поскольку исключён контакт поверхности вокруг обмоток с внешней средой, а стало быть уменьшается вероятность стекания зарядов при касании внешних предметов к корпусу датчика. При этом рискну предположить, что комбинация этих двух методов может дать вообще шикарнейший результат.

4) Графит (если кто-то забыл или не знает) является — ПОЛУПРОВОДНИКОМ, а не проводником!!!

И именно поэтому делать из графита «экран» всё равно, что лепить из говна пулю!!!

5) Те, кто называет это «устройство» экраном Фарадея, повторяю — вообще не дружат ни со здравым смыслом, ни с Фарадеем! А точнее ненавидят его!

Фарадей бы и секунды бы не прожил, стой он в клетке из графитовых стержней в своих опытах. Похоронили бы тут же! Возле клетки… Если бы осталось что хоронить. 🙂

6) Возможно существуют куда более эффективные с точки зрения равномерного распределения зарядов по поверхности полупроводники и пригодные для изготовления уравнивающего покрытия датчика.

7) Удельное сопротивление полупроводникового уравнивающего заряды слоя влияет на скорость выравнивания, а также ( что важнее ) на степень однородности поверхности в отношении распределения по ней зарядов. Чем ниже сопротивление, тем более однородна поверхность и тем скорее заряды перераспределяются по ней, выравниваясь таким образом к какому-то общему значению. В идеале наше удельное сопротивление должно бы стремиться к нулю. Однако нулевое сопротивление приведёт к бОльшему поглощению излучаемой антенной мощности, а также к значительному ослаблению принимаемого сигнала контуром Rx.
Стало быть удельное сопротивление уравнивающего покрытия — это вопрос компромиса. Примерные пределы значения этого сопротивления всем давно известны и, скорее всего ( по моим прикидкам ) получены чисто экспериментальным путём.

Итак… , именно УРАВНИВАЮЩЕГО СЛОЯ!!!
Вот так называть ПРАВИЛЬНО то, что мы с вами делаем, друзья!

Это название отражает суть явлений, происходящих в устройстве, а не просто ради красивого словца!

На этом, пожалуй, окончу повествование.
Кто чего-то не понял — спросите. Я постараюсь пояснить более детально. Спрашивайте в комментариях. А лучше на форуме вот здесь.

Всем обалденных сигналов под правильно сделанными датчиками! 🙂 🙂 🙂

С уважением,
Олег Дьяков.

P.S> Кстати говоря, думаю, что так называемое статическое электричество к этой проблеме имеет слабое отношение. Не то, чтобы я отрицал такую возможность, чтобы на поверхности датчика накапливалось именно статическое электричество. Просто не совсем понимаю каков его источник в реальных условиях поиска. То есть источник поляризации я чётко себе представляю и понимаю как он работает.
А вот со статическими зарядами пока не вижу откуда им браться в поле.
Повторяю — я не отрицаю возможность им накапливаться на поверхности датчика, но … Вряд ли они это делают.
Да и особо этот факт не имеет никакого значения на то, что мы только что обсудили. Просто к заряду, сформированному процессами поляризации диэлектрика добавятся ещё и статические заряды, образуя сумму зарядов. Но проблемы останутся те же.
А главное — таким же останется метод решения этих проблем, который я и описал.

—————————————————————————————————-
ССЫЛКИ ПО ТЕМЕ:

Прежде всего обалденный учебник по диэлектрикам (рекомендую!!!):

Несколько видео.

Диэлектрические материалы — некоторые полиэтилены, полистиролы и т.п. примеры.

Поливинилхлорид (ПВХ) — изготовление из пластмасс. Белорусский завод

физика Активных Диэлектриков учебник!!!

Поляризация в переменных электрических полях — Справочник химика 21