DE3240964C2 - - Google Patents

Description

Die Erfndung betrifft eine Vorrichtung zum Entdecken von Metallobjekten gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein auf der Erzeugung von Wirbelströmen basie­ render Metalldetektor besteht aus zwei Hauptteilen. Die Sendeschleife erzeugt in einem bestimmten Bereich ein wechselndes Magnetfeld. Befinden sich elektrisch leitende Objekte innerhalb des Feldes, so werden in ihnen Wirbelströme erzeugt. Das von diesen Wirbelströ­ men erzeugte Feld wird von der Empfangsschleife er­ mittelt. Für die Entdeckung eines Objektes ist es not­ wendig, daß zumindest an einem Punkt auf dem Weg des Objektes durch den Detektorkanal ein Erregerfeld vor­ handen ist, das eine solche Richtung hat, daß es in dem zu entdeckenden Objekt Wirbelströme hervorruft. Es ist auch notwendig, daß das Empfangssystem diese Ströme an diesem Raumpunkt wirksam messen kann.

Zu Beginn sei ein kugelförmiges Objekt betrach­ tet. Aufgrund seiner Symmetrie ist die Größe der in ihm erzeugten Wirbelströme unabhängig von der Richtung des Erregerfelds bezüglich der Kugel. Die innerhalb der Kugel zirkulierenden Wirbelströme erzeugen außerhalb von sich ein gleiches magnetisches Feld wie die magne­ tische Dipolquelle, die dieselbe Richtung wie das Er­ regerfeld hat und am Mittelpunkt der Kugel angeordnet ist, welche Dipolquelle entsprechend der Stärke des Erregerfeldes ist, wobei ihre Größe selbstverständlich auch von den Parametern der Kugel abhängt. Die Verbin­ dung einer solchen Dipolquelle mit der Empfangsschlei­ fe kann mittels des sogenannten Detektorfeldes des Empfängers festgestellt werden (d. h. ein hypothetisches Magnetfeld wird erzeugt, indem bemessener Strom durch die Empfängerstränge geleitet wird). Die Dipolanspre­ chung in der Empfangsspule ist entspechend zu einer solchen Komponente des Detektorfeldes, die parallel zum Dipol am fraglichen Punkt ist. Somit ist die An­ sprechung A _p() am Punkt entsprechend dem Produkt

A _p() ∼ _T () · _R(), (1)

worin _T die Flußdichte des Sendefeldes und _R die Flußdichte des Empfängerdetektorfeldes ist.

Als nächstes wollen wir eine magnetische, elek­ trisch leitende Stange betrachten (z. B. mit einem Längen/Dickenverhältnis ≧ 10). Die Erfahrung hat ge­ zeigt, daß diese Art von Stange nur in ihrer Längsrich­ tung magnetisierbar ist. Jetzt ist die Ansprechung A _s() entsprechend dem Produkt

A _s() ∼ _T() · ₀) ( _R() · ₀), (2)

worin ₀ ein Einheitsvektor mit derselben Richtung wie die Stange ist.

Bei einer nicht magnetischen Stange ist die Situation etwas anders. Mit solchen Objekten wird im allgemeinen die maximale Ansprechung erhalten, da die Wirbelströme längs der Längsseiten der Stange zirkulie­ ren. Dieselbe Art von Abhängigkeit wie in der Formel (2) besteht in diesem Fall auch, aber jetzt hat man sich den Vektor ₀ als senkrecht zu der Stange vorzustellen.

Gemäß den Formeln (1) und (2) ergibt sich, daß die Sende- und Empfangssysteme eine gleich wichtige Stel­ le beim Erzeugen des Signals einnehmen.

Das US-Patent 36 97 996 beschreibt ein Verfah­ ren zum Erzeugen von Wirbelströmen in Objekten mit abweichenden Richtungen mittels mehrerer, aufeinander­ folgend betriebener Sendeschleifensysteme. In diesem Patent ist kein Empfangssystem erwähnt. Auf der Basis obiger Beschreibung wird klar, daß das Sendesystem des US-Patents 36 97 996 verbunden mit einem konventionellen Empfänger die Richtungseigenschaften der Vorrichtung nicht wesentlich verbessert.

Das finnische Patent 40 646 beschreibt eine Schleifenkonfiguration, die die oben beschriebenen Prinzipien verwirklicht. Ihre Anwendung in der Praxis erfordert aber einen Kanal, der in der Fortschreitungs­ richtung lang ist. In der Praxis ist jedoch ein kompaktes Schleifensystem erwünscht. Außerdem ist das in dem finnischen Patent 40 646 beschriebene Verfahren haupt­ sächlich für eine Vorrichtung mit kontinuierlicher Ar­ beitsweise bestimmt; in einer solchen Vorrichtung ist das Erregermagnetfeld während der Messung auch ange­ schaltet. Dementsprechend muß die Geometrie der Schlei­ fen so gewählt werden, daß die gegenseitige Induktion zwischen der Sendespule und der Empfangsspule ausgeschal­ tet ist.

Das in dem US-Patent 37 58 849 beschriebene Ver­ fahren benutzt zwei Sendeschleifen und zwei Empfangs­ schleifen, die kreuzweise angeordnet sind. Die Sende­ schleifen werden jedoch gleichzeitig mit harmonischem Strom betrieben, so daß ungeachtet der kreuzweisen An­ ordnung der Sendeschleifen nur ein Sendefeld erzeugt wird. Es ist auch offensichtlich, daß bei dem Verfahren nach dem US-Patent 37 58 849 ein Objekt, das den Kanal an einem bestimmten geometrischen Punkt in der Mitte des Kanals passiert, so daß die Richtung seines er­ giebig induzierten Wirbelstroms mit der Fortschrei­ tungsrichtung zusammenfällt, unbemerkt durchgehen wird. Überdies setzt das US-Patent 37 58 849 auch eine Null­ verbindung zwischen den Sende- und Empfangsschleifen voraus, was keine ideale Geometrie zuläßt.

Die GB-Patentanmeldung 20 73 892 beschreibt eine Vorrich­ tung zum Signalisieren des Durchgangs eines sich bewegenden Körpers durch einen bestimmten Ort. Ein Sendeschleifen­ system zur Erzeugung eines Magnetfelds um diesen Ort ist so angeordnet, daß der Körper durch eine erste Sendeschleife gelangt, wobei eine zweite kreuzende Sendeschleife nahe der ersten vorgesehen und betreibbar ist, um den Gra­ dienten des Magnetfelds wesentlich zu vergrößern. Der Zweck der Sendeschleifen besteht nicht darin, als eine Vorrich­ tung zum Entdecken von Metallobjekten zu arbeiten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der Nachteile des Standes der Technik eine verbesserte Vorrichtung zum Entdecken von Metallobjekten zu schaffen, so daß ungeachtet der Bewegungslagen der Objekte, die durch das Wechselmagnetfeld gelangen, die sogenannten toten Punkte vermieden sind, d. h. solche Punkte, wo die durch die Wechselmagnetfelder wandernden Objekte keine Wirbelströme zur Induzierung des Signals erzeugen würden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Vor­ richtung gelöst, wie sie durch den Anspruch 1 gekenn­ zeichnet ist. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist zumindest zwei kreuzweise eingerichtete Sendeschleifen und eine gleiche Anzahl von Empfangsschleifen auf, die mit Bezug zueinander in derselben Lage angeordnet sind. Die Sende­ schleifen erzeugen in dem Schleifensystem abweichende Primärfelder, die ihre Richtung und ihre Größe entspre­ chend ihrem Ort ändern und ihrerseits Wirbelströme in den sich innerhalb der Primärfelder bewegenden Objekten erzeugen. Das durch das sich bewegende Objekt erzeugte Sekundärfeld induziert seinerseits ein Signal in einer Empfangsspule. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt auch Einrichtungen zum Verstärken und Weiterverarbeiten des Signals.

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, daß die Vorrichtung ein Ansprechsignal von etwa gleicher Stärke liefert, unge­ achtet der Lage, in der ein längliches Objekt durch den Kanal gelangt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 schematisch eine Ausführungsform eines konven­ tionellen Metalldetektors,

Fig. 2 schematisch eine bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 3 das Impulsdiagramm des mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung verbundenen Zeitglieds, aufgetragen auf einer Zeitachse, und

Fig. 4 eine bevorzugte praktische Ausführungsform der Erfindung.

Gemäß Fig. 1 werden Stromimpulse mittels eines Zeitglieds 1 und eines Verstärkers 2 in die Sendeschlei­ fe 3 eingeleitet. Ein Abtastverstärker 5 (sampling amplifier) wird aktiviert, um kurz nach Beendigung des Sendeimpulses ein Signal von der Empfangsschleife 4 auf­ zunehmen. Nun ist das Erregerfeld nicht mehr wirksam, weshalb das Ansprechsignal nur von einem fremden Metall­ objekt hervorgerufen werden kann. Da das Erregerfeld in einer impulsbetriebenen Vorrichtung während der Messung nicht angeschaltet ist, ist eine gegenseitige Minimal­ verbindung zwischen dem Empfänger und dem Sender nicht erforderlich.

Bei der Vorrichtung nach Fig. 1 erfolgt die gegen­ seitige Einstellung des Sendefeldes und des Detektorfel­ des des Empfängers (d. h. eine wirksame Erfassung einer maximalen Wirbelstrominduktion) mittels Schleifen, die auf beiden Seiten des Kanals angeordnet sind und im we­ sentlichen gleiche Form haben. Es kann beobachtet werden, daß im Falle der Fig. 1 beim Befördern einer Stahlstange durch den Kanal in Richtung der Diagonal­ stränge die Vorrichtung ein sehr schwaches Signal für dieses Objekt abgibt. Dementsprechend erreicht das Signal seinen Maximalwert, wenn das Objekt in senk­ rechter Richtung bewegt wird.

Fig. 2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Zwei im wesentlichen gleiche Schleifensysteme sind kreuzweise aufeinander angeordnet, wobei jedes Schleifensystem zwei Sendeschleifen 3 bzw. zwei Empfangs­ schleifen 4 aufweist. Das Zeitglied 1 steuert in aufein­ anderfolgendem Turnus die Kraftverstärker 2, die im Turnus unter Benutzung der Impulstechnik die zwei Sende­ schleifen 3 beschicken. Die von den Schleifen 3 erzeug­ ten Sendefelder haben abweichende Richtungen. Nun müs­ sen zwangsläufig Wirbelströme in dem durch das Schleifen­ system bewegten Objekt zumindest an einem Punkt induziert werden, unabhängig vom Ort, der Lage oder der Form dieses Objektes. Das Zeitglied 1 steuert auch zwei mit den Sende­ schleifen 3 synchronisierte Abtastverstärker 5, so daß die von den zwei Sendekanälen induzierten Wirbelströme jeweils auf einem anderen Empfängerkanal gemessen werden. Wenn das Antwortsignal des Objekts einen vorherbestimmten Alarmpegel überschreitet, ruft die Vorrichtung mittels einer Alarmeinrichtung 6 einen Alarm hervor.

Fig. 3 zeigt die Wirkungsweise des Zeitglieds 1 in Form eines Impulsdiagramms. Die Detektorfelder der Empfänger 4 sind überall abweichend und gerichtet, so daß die von jedem Sender 3 induzierten Wirbelströme mit Bezug zu einem Empfänger 4 gemessen werden können. Wenn z. B. eine Stahlstange in einer Lage durch den Kanal gelangt, wo beispielsweise das System I fast ein Nullsignal her­ vorruft, wird das System II ein Maximumsignal erzeu­ gen. Dementsprechend ist die Ansprechung der Vorrich­ tung nach Fig. 2 weit weniger abhängig von der Lage und der Form des Objekts und hat die Vorrichtung wesentlich weniger sogenannte tote Punkte wie die Vorrichtung nach Fig. 1.

Es wurde oben eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beschrieben, wobei klar ist, daß die Vorrich­ tung nach der Erfindung in verschiedenen Abwandlungen ausgeführt werden kann, indem z. B. in den Empfangs­ schleifen 4 eine wesentlich höhere Turnuszahl als in den Sendeschleifen 3 angewandt wird.

Gemäß Fig. 4 sind die Sendeschleifen 3 und die Empfangsschleifen 4 bei einer praxisbezogenen Ausfüh­ rungsform mit Schutzplatten 7 und 8 abgedeckt, die mit­ tels Verbindungsplatten 9 zusammengeschlossen sind. Die Schutzplatten 7 und 8 sind weiterhin fest mit ihrer Basis 10 verbunden. Das Zeitglied 1, die Kraftverstärker 2 und 5 sowie die Alarmeinrichtung 6, die alle wesent­ lichen Teile der Erfindung bilden, sind in einer Elektro­ nikeinheit 11 zusammengefaßt, die mittels eines Kabels 12 mit der Vorrichtung verbunden ist.

Claims (5)

1. Vorrichtung zum Entdecken von Metallobjekten, welche Vorrichtung ein separates Sendeschleifensystem (3) und ein Empfangsschleifensystem (4) aufweist, wel­ ches Sendeschleifensystem aus zumindest zwei Schleifen besteht zur Erzeugung abweichender Primärfelder, die ihre Richtung und Größe entsprechend ihrem Ort ändern, welche Primärfelder ihrerseits in einem sich innerhalb dieser Primärfelder bewegenden Objekt Wirbel­ ströme erzeugen, woraufhin das in dem Objekt erzeugte Sekundärfeld ein Signal in dem Empfangsschleifensystem induziert, und mit Einrichtungen zum Verstärken und Weiterverarbeiten dieses Signals, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Sendeschleifensystem (3) aus zumindest zwei Schleifen gebildet ist, die in der Win­ dungsebene in einander überkreuzender Lage angeordnet sind, so daß die von den Schleifen (3) erzeugten magne­ tischen Felder abweichend sind, und daß das Empfangs­ schleifensystem (4) ebenfalls aus derselben Anzahl von Schleifen wie das Sendeschleifensystem (3) zusammenge­ setzt ist, welche Schleifen (4) in entsprechender Lage wie in dem Empfangsschleifensystem (3) angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Sende- und Empfangs­ schleifensysteme (3, 4) identisch in der Form sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Sende- und Empfangs­ schleifensysteme (3, 4) identische Win­ dungen haben.

4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß einer Sendeschleife (3) diejenige Empfangsschleife (4) zugeordnet ist, die sich in einer entsprechenden Lage wie die fragliche Sendeschleife (3) befindet.

5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zeitglied (1) zur Steuerung sowohl der Sendeschleifen (3) als auch der Empfangsschleifen (4) vorgesehen ist.