AT404408B - Verfahren und vorrichtung zur untersuchung eines mediums - Google Patents

Description

AT 404 408 B

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 14.

Anordnungen bzw. Verfahren ähnlicher Art zur Untersuchung von Stoffen sind z.B. aus der GB-A1-2071327, GB-A 2041532, EP-A-087271, DE-A1 3727416, DE-PS 1180550, DE-A1-3743216 oder DE-C2-3825111 bekannt.

Bei der aus der GB-A-2071327 bekannten Vorgangsweise werden Bodeneffekte bei Pulsinduktionsgeräten eliminiert, wobei aber nur magnetische Bodeneffekte berücksichtigt werden können. Es wird das Empfangssignal des Detektors, das infolge eines gepulsten Magnetfeldes entsteht mit einem vorbestimmten, simulierten Signal der magnetischen Störung verglichen (Differenzbildung) und dadurch die Störung eliminiert. Die Einstellung der für die Simulation ausschlaggebenden Parameter erfolgt durch Abgleich von Potentiometern. Der Vergleich zwischen dem Empfangssignal und dem simulierten Signal erfolgt auf analoger Basis mittels eines Differenzverstärkers. Das simulierte Signal wird aus e-Funktionen zusammengesetzt, die mit RC-Funktionsgeneratoren generiert werden. Die Auswertung des Differenzsignales erfolgt entsprechend dem Stand der Technik mit einem "gated amplifier", nachfolgender Filterung und akustischer oder optischer Anzeige. Bei diesem Gerät werden keine Bodeneffekte aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit berücksichtigt. Die Einstellung der sich laufend ändernden Parameter des simulierten Signals erfolgt von Hand, auf iterativer Basis ohne Kenntnis der Größe der verursachenden Parameter des Bodens. Die Erzeugung des simulierten Signals erfolgt nur näherungsweise (im Vergleich zum theoretischen Verlauf) auf rein analoger Basis, was eine begrenzte Genauigkeit der Kurvenform zur Folge hat. Es werden die Parameter ur und σ des Bodens nicht meßtechnisch bestimmt bzw. die Dämpfung der verwendeten Spule wird nicht verändert; eine abklingende Schwingung wird nicht erzeugt und nicht ausgewertet.

Bei dem Gerät gemäß der GB-A-2041532 werden Bodeneffekte bei Pulsinduktionsgeräten eliminiert, wobei aber nur Bodeneffekte aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit berücksichtigt werden. Es werden zu zwei von einander unterschiedlichen Zeitpunkten Abtastwerte des Empfangssignals des Untergrundes aufgenommen. Die Amplitude dieser beiden Abtastwerte wird mit jeweils manuell einstellbaren Faktoren so bewertet, daß ihre Differenz gleich null ist. Es werden keine Bodeneffekte aufgrund der magnetischen Eigenschaften berücksichtigt. Die Einstellung der (sich laufend ändernden) Bewertungsfaktoren erfolgt von Hand, auf iterativer Basis ohne Kenntnis der Größe der verursachenden Parameter des Bodens. Es werden die Paramter ur und σ des Bodens nicht meßtechnisch bestimmt und es wird die Dämpfung der verwendeten Spule nicht verändert bzw. eine abklingende Schwingung wird nicht erzeugt bzw. ausgewertet.

Gemäß der EP-A-0087271 sollen Bodeneffekte bei Pulsinduktionsgeräten eliminiert werden, wobei nur Bodeneffekte aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit berücksichtigt werden. Es wird das zyklische Empfangssignal des Detektors, das infolge eines gepulsten Magnetfeldes entsteht, durch mehrere schmalbandi-ge Bandpaß-Filter, deren Mittelfrequenz der Grundfrequenz und der Frequenz der ungeradzahligen Harmonischen des zyklischen Empfangs-signals entsprechen, bewertet (Fourier Analyse). Die Ausgangssignale der Bandpaß-Filter werden unter Zuhilfenahme des anregenden Signals des gepulsten Magnetfeldes (Referenzsignal) synchron gleichgerichtet, geglättet, und zur Anzeige gebracht. Aus der Relation der einzelnen Ausgangssignale zueinander kann der gegebenenfalls vorhandene Einfluß leitfähiger Bodenbereiche erkannt werden. Die Erzeugung der Pulse entspricht dem Stand der Technik von Pulsinduktionsgeräten; die Auswertung des Empfangssignals dem Stand der Technik bei Transmitter-Receiver-Geräten. Es werden keine Bodeneffekte aufgrund der magnetischen Eigenschaften berücksichtigt. Dieses bekannte Verfahren wird bei Störungen aufgrund der magnetischen Eigenschaften nicht zielführend funktionieren. Die Paramter u, und σ des Bodens werden meßtechnisch nicht bestimmt. Es wird die Dämpfung der verwendeten Spule nicht verändert und keine abklingende Spulenschwingung zur Ermittlung von magnetischen Parametern verwendet. Die Auswertung des Empfangssignals erfolgt nicht durch Abtastung im Zeitbereich, sondern im Frequenzbereich, d.h. wie bei einem Transmitter-Receiver-Gerät.

Vorrichtungen der eingangs genannten Art zum Untersuchen eines im wesentlichen abschnittsweise homogenen Mediums 1 mit einer elektrischen Leitfähigkeit x0 sowie einer relativen magnetischen Permeabilität u.rf) auf das Vorhandensein von Bereichen 2 unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit arbeiten unter Zuhilfenahme elektromagnetischer Wellen, die mittels Induktionsspulen 4 in das zu untersuchende Medium eingebracht werden. (Fig.1).

Bei dem zu untersuchenden Medium 1 kann es sich zum Beispiel um Erdreich handeln; bei dem Bereich 2 unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit z.B. um Erzstücke (z.B. Nugget's), Metallteile (Münzen, Schlüssel, Bolzen etc.) od.dgl. In gleicher Weise kann es sich bei dem zu untersuchenden Medium 1 jedoch auch um einen menschlichen Körper handeln und eine Ortung auf z.B. verschluckte Metallgegenstände vorgenommen werden. Ein Einsatzzweck des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das Aufsuchen und Feststellen von Sprengkörpern mit geringen Metallanteilen bzw. Minen, insbesondere von aus Kunststoff gefertigten Minen, die einen sehr kleinen metallischen Zündbolzen 2

AT 404 408 B besitzen. Die in diesen Beispielen angeführten Bereiche unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit sind in den meisten Fällen durch Gegenstände mit gegenüber dem sie umgebenden Medium 1 erhöhter elektrischer Leitfähigkeit x, gebildet, was aber nicht unbedingt notwendig ist. Prinzipiell kann auch der umgekehrte Fall auftreten und untersucht werden, sodafi zum Beispiel Lufteinschlüsse in leitfähigem Material (Kunststoffrohre) aufgespürt werden können. Für eine nähere prinzipielle Betrachtung ist ein rein elektrisches Ersatzschaltbild der Anordnung gemäß Fig. 1 in Fig. 2 dargestellt. Aus Gründen der Anschaulichkeit wird von einem elektrisch gut leitfähigen Bereich 2, der von einem Medium 1 sehr geringer elektrischer Leitfähigkeit sowie einer relativen magnetischen Permeabilität = 1 (z.B. trockener Sand) umgeben ist, ausgegangen. In Fig. 2 wird der elektrisch gut leitfähige Bereich 2 durch die Leiterschleife 3 ersetzt. Das Umgebungsmedium 1 wird aufgrund seiner geringen elektrischen Leitfähigkeit nicht in das Modell mit einbezogen.

Der Widerstand Ri der Leiterschleife 3 repräsentiert das Ausmaß des ohmschen Widerstandes, den ein im Inneren des Bereichs 2 induzierter Wirbelstrom aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit sowie der räumlichen Ausdehnung erfährt. Li steht für die durch die räumliche Ausdehnung sowie die relative magnetische Permeabilität des Bereichs 2 bedingte wirksame Induktivität.

Bei derartigen Verfahren wird für eine Zeitdauer (to bis in Fig. 3) zwischen 100us-100ms lang eine Spannung an die Sendespule 4 angelegt. Der Strom l0 durch die Spule 4 nimmt während der Zeit to bis ti gemäß (9) ( Fig. 3) mit der Zeit exponentiell zu, bis er gemäß (10) (Fig. 3) einen stationären, durch den ohmschen Innenwiderstand Ro der Spule 4 und die Spannung Uq der Spannungsquelle 5 bestimmten Endwert erreicht hat. Der Wert dieses stationären Stromes Io liegt je nach Auslegung der Sendespule 4 und der Spannungsquelle 5 zwischen einigen und einigen hundert Ampere. Der durch die Sendespule 4 fließende Strom l0 hat ein magnetisches Feld zur Folge, welches wie der verursachende Strom l0 während der Zeit von ti bis t2 (10) (Fig.3) einen durch Windungszahl, Spulendurchmesser und Stromstärke vorgegebenen, und vom Abstand zur Spule 4 abhängigen, zeitlich konstanten Wert aufweist. Dieses Magnetfeld breitet sich in der Umgebung der Sendespule 4 aus und durchdringt das zu untersuchende Medium 1 sowie den Bereich 2.

Wird, wie es auch bei der Erfindung geschieht, der in der Spule 4 fließende Strom zeitlich verändert oder, z.B. mittels eines elektronischen Schalters 6, die Sendespule 4 von der Spannungsquelle 5 getrennt, hat die damit verbundene Stromänderung eine Selbstinduktionsspannung (Spannungspuls 11) der Sendespule 4 zur Folge, die den Strom l0 durch die Sendespule 4 und den parallel geschalteten Dämpfungswiderstand 7 weiter aufrecht zu erhalten versucht. Bei entsprechender Dimensionierung dieses Widerstandes 7 nimmt der Spulenstrom und damit das Magnetfeld in sehr kurzer Zeit (wenige us) exponentiell bis auf null ab. Eine rasche Änderung des magnetischen Rußes ruft entsprechend dem Lenz'schen Gesetz in einem vom Magnetfeld durchdrungenen leitfähigen Medium einen Strom hervor, der der Feldänderung durch Ausbildung eines eigenen magnetischen Feldes entgegenwirkt. Aufgrund der endlichen Leitfähigkeit dieses stromführenden Mediums nehmen der Strom und das mit ihm verbundene magnetische Feld mit der Zeit exponentiell ab, wobei die elektrische Leitfähigkeit und die Induktivität des Mediums die Amplitude und die Dauer des Abklingvorganges bestimmen. In dem betrachteten Ersatzschaltbild in Fig. 2 wird das elektrisch leitfähige Medium durch die Leiterschleife 3 dargestellt. Mit einer Empfangsspuie 8 kann das Feld des im Medium 2 (in der Leiterschleife 3) abklingenden Stromes li erfaßt werden. Der Zeitverlauf des empfangenen Signals wird in der Literatur mit proportional K’e',/(L1/R1) angegeben.

Der Wert des Dämpfungswiderstandes 7, der notwendig ist, um bei diesem Meßschritt einen exponentiellen Abfall von Spulenstrom und -Spannung zu gewährleisten, ist abhängig von den elektrischen Spuiendaten. Er weist zumeist aber einen relativ geringen Wert (wenge kQ) auf, weshalb in der weiteren Beschreibung dieser Meßschritt als Meßschritt mit "geringem Dämpfungswiderstand" bezeichnet wird.

Als Empfangsspule kann entweder eine separate Spule 8 (Zweischleifengerät) oder die Sendespule 4 selbst (Einschleifengerät) verwendet werden. Prinzipiell ist es selbstverständlich möglich, anstelle einer einzigen Sendespule und/oder einer einzigen Empfangsspule auch eine Mehrzahl von Sende- und/oder Empfangsspulen vorzusehen. An dem Geräteprinzip ändert sich nichts, wenn sowohl Empfangsspulen als auch Sendespulen oder eine oder mehrere, eine doppelte Funktion, d.h. Empfangs- und Sendefunktion, ausübende Spule(n) vorhanden sind.

Bei einem Zweischleifengerät bestehen zwischen der Sendespule 4 und der Leiterschleife 3 (Medium) sowie der Leiterschleife 3 (Medium) und der Empfangsspule 8 Gegeninduktivitäten M01 und M12. deren Werte zumindest um den Faktor 10"3 bis 10"6 kleiner sind, als der Wert der Gegeninduktivität M02 zwischen Sende- und Empfangsspule. Das Empfangssignal setzt sich aus einem Signalanteil, verursacht durch die Sendespule 4, und einen um den Faktor 10"® bis 10"12 kleineren Signalanteil, verursacht durch die Leiterschleife 3 (Medium 2), zusammen. 3

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Eine Trennung dieser beiden Signale und eine Auswertung des Signalanteils, der durch die Leiterschleife 3 verursacht ist, erfolgt aufgrund unterschiedlich rascher Abklingvorgänge der Signalanteile. Der Strom l0 in der Senderspule 4 muß dazu wesentlich schneller abklingen, als der Strom h in der Leiterschleife 3 (Medium). Praktisch kann erst nach einer vorrichtungsspezifischen Wartezeit nach dem Trennen der Sendespule 4 von der Spannungsquelle 5 das Feld des abklingenden Stromes h in der Leiterschleife 3 ohne Beeinflussung durch den ebenfalls abklingenden Strom l0 in der Sendespule 4 erfaßt werden. Bei geophysikalischen Explorationen ausgedehnter Erzkörper treten Abklingvorgänge für den Strom h auf, die mehr als 100ms dauern, sodaß Wartezeiten für das Abklingen des Stromes l0 im 100us Bereich kein Problem darstellen. Die Detektion kleiner Metallteile (z.B. Nägel, Metallsplitter) mit Abklingvorgängen für den Strom h im 10 bis 20us Bereich erfordert eine Abklingzeit von wenigen us für den Strom l0, was an die Grenzen der technischen Möglichkeiten stößt. Es ist dabei sinnvoll, die Messung des Abklingvorganges des Stromes I, möglichst kurze Zeit nach dem Abschalten des Sendestromes l0 zu beginnen, da die Signalamplitude mit der Zeit exponentiell abnimmt. Eine Messung zu späteren Zeitpunkten macht eine zusätzliche Verstärkung notwendig, deren Wert mit zunehmender Wartezeit exponentiell zunimmt.

Demnach sind derzeit in der Praxis nur solche Bereiche 2 höherer Leitfähigkeit detektierbar, für die die Abklingzeit des induzierten Stromes wesentlich größer als die realisierbare Wartezeit ist, was eine Einschränkung auf größere bzw. große, gut leitfähige, ring-, Zylinder-, hohlzylinder- oder scheibenförmige (Münzen) Gebilde darstellt. Teile, die aufgrund ihrer Formgebung hochohmig sind, z.B.dünne Folien (z.B. Alu-Folien), oder Teile die aufgrund ihrer geringen räumlichen Abmessungen eine geringe Induktivität aufweisen (z.B. kleine Nägel, Zündbolzen), sind nicht detektierbar.

Wenn es gelingt, den Einfluß, den der Sendestrom l0 über die Gegeninduktivität M02 auf das Empfangssignal hat, zu eliminieren, könnte die Wartezeit theoretisch entfallen. Theoretisch wäre somit eine Messung sofort nach dem Abschalten des Sendestrommes l0 möglich, was eine große Amplitude des Empfangssignals zur Folge hat, was wiederum einen geringen Verstärkungsfaktor erfordert. In der Praxis ist jedoch eine geringe, unter anderem vom Einschwingverhalten der Empfangsspule abhängige Wartezeit nicht vermeidbar.

Eine Kompensation der Auswirkung der Koppelinduktivität M02 ist prinzipiell durch Anordnung eines Ausgleichsnetzwerkes 12 zwischen Sende- 4 und Empfangsspule 8 möglich (Fig.4). Die Kompensation erfolgt durch Summation des Empfangssignales bet hohem Dämpfungswiderstand und eines aus dem Strom l0 in der Sendespule 4 abgeleiteten, negativ gleich großen Signalanteiles (-Uo2), wie er aufgrund der Koppelinduktivität M02 (U02) im Empfangssignal enthalten ist Die beiden (transienten) Signalkomponenten U02 und -Uo2 heben sich auf und scheinen daher im Empfangssignal nicht mehr auf. Das Ausgleichsnetzwerk 12 kann z.B. aus einem Übertrager mit entsprechender Koppelinduktivität bestehen. Praktisch ist der Wert der Koppelinduktivität M02 abhängig von der elektrischen Leitfähigkeit sowie der relativen magnetischen Permeabilität des die Sende- und Empfangsspule teilweise (Spule z.B. über Erdboden) oder ganz (Spule z.B. im Wasser) umgebenden relativ homogenen Mediums und muß daher den Gegebenheiten entsprechend abgestimmt bzw. angepaßt werden. Bei Einschleifengeräten entfällt eine Berücksichtigung der Koppelinduktivitität.

Zur Aufnahme des von den Parametern des (relativ homogenen) Mediums beeinflußten Empfangssignales ist beim Pulsinduktionsverfahren eine eigene Empfangsspule (Zweischleifengerät) vorgesehen, sodaß die Koppelinduktivität zwischen den beiden Spulen zu berücksichtigen ist. In der folgenden Beschreibung wird näher auf diesen Fall eingegangen. Es ist jedoch auch möglich, anstelle einer Empfangsspule als signalaufnehmende Einheit eine andere auf Magnetfelder ansprechende Einheit, z.B. Hallelement, Magneto-resistive Sensoren od.dgl. vorzusehen. Auch in diesem Fall ist ein von den elektrischen Parametern des (relativ homogenen) Mediums abhängiger Koppelfaktor zwischen Sendespule und signalaufnehmender Einheit zu berücksichtigen bzw. zu kompensieren. Auf diese Möglichkeit wird später näher eingegangen.

Bisher wurde der Fall eines elektrisch gut leitfähigen Bereiches 2, umgeben von einem sehr schlecht leitfähigen Medium 1 betrachtet, wobei der Einfluß des schlecht leitfähigen Mediums nicht berücksichtigt wurde.

Praktisch gibt es aber viele Fälle, in denen ein elektrisch gut leitfähiger Bereich von einem mäßig leitfähigen Medium (z.B. Seewasser) umgeben ist, und eine Vernachlässigung der Einflüsse des mäßig leitfähigen Mediums nicht möglich ist. Im Empfangssignal treten zusätzliche Signalanteile, verursacht durch das mäßig leitfähige Umgebunsmedium auf, sowohl bei Zweischleifengeräten mit oder ohne der zuvor beschriebenen Gegeninduktivitätskompensation als auch bei Einschleifengeräten. Diese zusätzlichen Signalanteile stören besonders bei der Detektion von leitfähigen Bereichen mit kurzen Abklingzeiten. Für den Fall einer Spule über einem homogenen Halbraum mit einer elektrischen Leitfähigkeit xo wird der Zeitverlauf des Empfangssignals mit proportional Ki*t_s/2 angegeben. 4

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Bestimmte Stoffe wie zum Beispiel Hämatit und Magnetit weisen magnetische Relaxationserscheinungen auf, deren Abklingzeit praktisch ident mit der von kleinen, elektrisch gut leitfähigen Bereichen ist. Derartige Stoffe bewirken einen weiteren Signalanteil im Emfpangssignal, dessen Zeitverlauf in der Literatur als proportional K2T1 angegeben wird. Die genannten Stoffe kommen in unterschiedlicher Korngröße regelmäßig verteilt in Humus sowie im sogenannten "Schwarzem Sand" vor.

Erfindungsgemäß sollen nunmehr ein Verfahren und eine Vorrichtung erstellt werden, mit denen auch sehr kleine Bereiche erhöhter oder herabgesetzter elektrischer Leitfähigkeit gegenüber einem ansonsten im wesentlichen homogenen Medium detektiert werden können, wobei die elektrische Leitfähigkeit des Mediums bzw. dessen Permeabilität berücksichtigt werden. Die Auswertung soll exakt möglich sein und die eingesetzte Vorrichtung einfach aufgebaut sein.

Die Erfindung betrifft somit grundsätzlich ein Verfahren und die dazu notwendige Vorrichtung zum Untersuchen eines in wesentlichen abschnittsweise homogenen Mediums 1 mit endlicher elektrischer Leitfähigkeit x0 sowie einer relativen magnetischen Permeabilität Uk> auf Bereiche 2 unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit unter Verwendung von Magnetfeldern, die mittels zumindest einer Induktionsspule in das zu untersuchende Medium 1 bzw. die Bereiche 2 eingebracht werden, wobei in einem speziellen weiteren Meßschritt die Parameter x0 und Uro des Umgebungsmediums ermittelt werden. Diese Parameter dienen zur Berechnung von Signalanteiien, die durch die elektrischen und magnetischen Eigenschaften des Umgebungsmediums 1 verursacht werden und mit diesen Signalanteilen werden die Empfangssignale korrigiert. Diese Parameter können auch zur exakten Berechnung bzw. Ermittlung der Gegeninduktivität M02 zwischen Sende- und Empfangsspule herangezogen werden.

Erfindungsgemäß ist ein Verfahren der eingangs genannten Art durch die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angeführten Merkmale charakterisiert. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist durch die im Kennzeichen des Patentanspruches 15 angeführten Merkmale charakterisiert.

In der Zeichnung zeigt Fig. 1 schematisch das der Erfindung zugrundeliegende Prinzip; Fig. 2 zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild einer Anordnung gemäß Fig. 1. Fig. 3,5 sowie 7 bis 9 und 11 bis 19 zeigen Diagramme. Fig. 4,6 und 6a zeigen Ersatzschaltbilder, Fig. 10. 10a, 10b, 10c, 10d und 10e zeigen verschiedene Schaltungsvarianten einer erfindungsgemäßen Anordnung und Fig. 20 zeigt schematisch ein erfindungsgemäß ausgebildetes Untersuchungsgerät. Der folgenden Beschreibung, den Patentansprüchen und der Zeichnung sind vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung zu entnehmen.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der eine Meßschritt mit einer magnetfeldsensitiven Signalaufnahmeeinheit, vorzugsweise mit einer Spule mit geringem Dämpfungswiderstand z.B. RD-1kQ-({-0,7-1,0) und der weitere Meßschritt mit erhöhtem Dämpfungswiderstand z.B. RD-100kO(|-0,1-0,6) der Empfangsspule vorgenommen, um aufgrund des unterschiedlichen Ausschwingverhaltens die Signale in unterschiedlicher Weise auswerten zu können. Der Meßschritt mit geringem Dämpfungswiderstand R0 entspricht dabei der nach dem Stand der Technik bekannten Puls-Induktionsmethode.

In der Praxis werden bei der Puis-Induktionsmethode vorteilhafterweise Magnetfeldpulse 11' mit wechselndem Vorzeichen (Fig. 5) verwendet, unter anderem deshalb, um eine magnetische Polarisation des zu untersuchenden Mediums zu verhindern.

Sowohl bei einem Einschleifengerät als auch einem Zweischleifengerät muß der Dämpfungswiderstand der Spulen entsprechend der Art des gewünschten Meßschrittes eingestellt werden. Dabei kann derart vorgegangen werden, daß einer oder einer Anzahl von Messungen mit geringem oder erhöhtem Dämpfungswiderstand eine oder eine Anzahl von Messungen mit erhöhtem Dämpfungswiderstand folgt; die Reihenfolge der Messungen mit unterschiedlichem Dämpfungswiderstand ist somit nicht von prinzipieller Bedeutung. Vorteilhafterweise wird jedoch beim erfindungsgemäßen Verfahren derart vorgegangen, daß einer der beiden vorzugsweise jeweils mit Magnetpulsen wechselnden Vorzeichens erfolgenden Meßschritte derart vorgenommen wird, daß der geringe Wert des Dämpfungswiderstandes einer Spule z.B. zum Zeitpunkt t2 der Trennung der Spule 4 von der Spannungsquelle 5, durch Umschaltung, z.B. mit einem elektronischen Schalter, z.B. um den Faktor 1,5 bis 10000, bzw. erhöht wird, d.h. daß zuerst mit erhöhtem Dämpfungswiderstand Ro gemessen wird, um die Parameter x0 und für die nachfolgende Messung zur Meßsignalkorrektur des mit geringem Dämpfungswiderstand Ro gemessenen Emfpangssignais bereits zur Verfügung zu haben. Bei der Messung des Empfangssignales mit geringem Dämpfungswiderstand RD ist ein rasches Abklingen des Sendespulenstromes und des damit verbundenen Signaies in der empfangenen Spule gefordert, um den abklingenden Strom in einem leitfähigen Bereich 2 feststellen zu können. Bei der Messung mit vergrößertem Dämpfungswiderstand wird dagegen die Anregung eines transienten Ausschwingvorganges von Spulenspannung und -ström angestrebt. Die Parameter x0 und ιι,ο beeinflussen in physikalisch und mathematisch eindeutig nachvollziehbarer Weise die elektrischen Paramter (insbesondere L und R) der zur abkiingenden Schwingung angeregten Spule. Aus der Veränderung der elektrischen Spulenparamter infolge des Einflusses x0 und können eindeutige rechnerische Rückschlüsse auf x0 und 5

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Uro gezogen werden, sodafi in weiterer Folge die Auswirkungen von *0 und Uro im Empfangssignal ausgeschaltet werden können. Nochmals wird bemerkt, daß bei einem Einschleifengerät die vorhandene einzige Spule einmal die Funktion der Sendespule und einmal die Funktion der Empfangsspule ausübt; je nach gewünschtem Meßschritt bzw. gewünschter Funktion wird der Dämpfungswiderstand Ro eingestellt. Eine theoretische Betrachtung der Zusammenhänge erfolgt anhand des Ersatzschaltbildes einer realen Luftspule mit einem externen Dämpfungswiderstand Ro gemäß Fig.6a. Unter der Voraussetzung eines hochohmigen Dämpfungswiderstandes RD (z.B. 100 kQ) kann von einem vereinfachten Ersatzschaltbild gemäß Fig. 6 ausgegangen werden. Die Induktivität der realen Spule wird im Ersatzschaltbild durch die Induktivität L, der ohmsche Widerstand der Spule wird durch den Widerstand R und die parasitäre Spulenkapazität wird durch den Kondensator C dargestellt. Die Selbstinduktionsspannung der Spule wird durch die Spannungsquelle Uo dargestellt. Das dynamische Verhalten der Klemmenspannung U wird durch die Differentialgleichung (1) beschrieben. dlU dUiC-5r+ÄCT+t/=u" (1) Für den Fall einer plötzlichen Änderung der Spannung Uo erhält man mit den Abkürzungen

2=_l 0 LC

Kreisfrequenz des ungedämpften Kreises (2) ξ Dämpfungskonstante (3) ω = ω0 νϊ*Γ Kreisfrequenz des gedämpften Kreises (4) <p = arctan-7==VH7 (5) unter Verwendung der Laplace-Transformation zur Lösung der Differentialgleichung (1) für den Zeitverlauf der Klemmenspannung U die sogenannte Impulsantwort (6)

Theoretisch handelt es sich bei der Änderung um einen Impuls unendlich kurzer Dauer mit einer unendlich hohen Amplitude, der als Dirac-Impuls bezeichnet wird. Praktisch kann ein derartiger Impuls nur näherungsweise realisiert werden. Ausgehend von (6) erhält man für den Zeitverlauf des Spulenstromes mit dem Zusammenhang lc(t) = C'dUc/dt I = t/0C—cos(ciM-<p) >ω 6 (7)

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In den Fig. 7 und 8 sind die Zeitverläufe der Spulenspannung U und des Spulenstromes I einer realen Luftspule in Abhängigkeit der Dämpfungskonstante dargestellt. Die zeitlichen Verläufe der Klemmenspannung U und des Spulenstromes I hängen sehr stark von der Dämpfungskonstante der Spule ab und reichen, vom Schwingfall mit £ < 1 über den Aperiodischen Grenzfall f = 1 bis zum Kriechfall { > 1.

Eine Änderung, die näherungsweise einen Dirac-Impuls darstellt, tritt z.B. bei der eingangs beschriebenen Ausbildung der Selbstinduktionsspannung 17 (Fig.5) z.B. im Zuge der Trennung der Sendespule 4 von der Spannungsquelle 5 auf. Die Selbstinduktionsspannung Uo einer Spule cwf m hängt wie in Gleichung (8) beschrieben, von der Induktivität L und vom Ausmaß der zeitlichen Änderung des Spulenstromes ab, und erreicht selbst bei geringen Induktivitätswerten bei entsprechend raschen Schaltvorgängen hohe Werte von mehreren hundert Volt. Auch eine entsprechend rasche Änderung des magnetischen Feldes (mag. Flusses), welches durch die Fläche einer Spule tritt, hat die Ausbildung einer Selbstinduktionsspannung Uo = -NA dB/dt der Spule zur Folge. Dieser Fall tritt z.B. bei einem Zweispulengerät auf, bei dem sich die Empfangsspule im veränderlichen Magnetfeld der Sendespule befindet Für den Fall einer sprungförmigen Änderung der Selbstinduktionsspannung von null auf den Wert Uo erhält man mit (2) bis (5) und unter Verwendung der Laplace-Transformation für den Zeitverlauf der Klemmenspannung U die sogenannte Sprungantwort /

u = u01 V cos(ωί-φ). y (9) ln Fig. 9 ist der Zeitverlauf der Sprungantwort für unterschiedliche Dämpfungsgrade { dargestellt.

Entsprechend dem Zusammenhang lc(t) = C*dUc/dt erhält man für den Zeitverlauf des Spulenstromes für den Fall einer sprungförmigen Selbstinduktionsspannung Uo I = U^C—e-^ sin(G)/) (10) <ö Für den Fall einer sprungförmigen Änderung der Selbstinduktionsspannung vom Wert U0 auf null erhält man äquivalente Gleichungen zu (9) und (10), die für diesen Fall der Anregung den Einschwingvorgang von Strom und Spannung beschreiben.

Sowohl für impuls- als auch sprungförmige Selbstinduktionsspannungen bestehen die Verläufe von Spulenspannung und -ström aus einem oszillierenden Teil (cos (&>t + Φ) bzw. sin (*>t + Φ)) und aus einer abklingenden Exponentialfunktion («*). die die Hüllkurve des transienten Vorganges bildet. Berührungspunkt Ai, A2, A3.......mit der Hüllkurve (Fig. 14) ergeben sich an jenen Stellen, wo gilt cos(«t - Φ) - 1 bzw. sin(ot - Φ) = 1 (11)

Setzt man die Funktionswerte zweier aufeinanderfolgender Abweichungen (Ai,As,A3...) des Signales (bzw. Abweichungen vom Endwert U(ts°°) der Sprungfunktion) zueinander ins Verhältnis, erhält man folgenden Quotienten 7 (12)

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e *

Daraus erhält man für den Dämpfungsgrad { in Abhängigkeit vom Amplitudenverhältnis *<♦* -ln- ξ=~ M2 + r Y + ln A l A, / (13)

Durch die Bestimmung von z.B. zwei aufeinanderfolgenden Abweichungen Aj und Aj+1 imZeitverlauf des Signales kann man den Dämpfungsgrad ξ des zugehörigen schwingfähigen Systems berechnen, wobei in diesem Fall k = 1 ist.

Prinzipiell müssen nicht unbedingt zwei aufeinanderfolgende Abweichungen betrachtet werden, sondern es könnte zum Beispiel auch ein Abweichungsquotient Aj+3/Aj betrachtet werden. In diesem Fall ist k = 3.

Aus der Zeitspanne T/2 (Fig. 15) zwischen den Nulldurchgängen des Antwortsignales (bzw. den Schnittpunkten mit dem Endwert U(t = <*>) kann man Periodendauer und Kreisfrequenz *> des gedämpften Systems bestimmen und mit Gleichung (4) die Kreisfrequenz ωο des ungedämpften Systems berechnen.

Wie Fig. 7 und 8 zu entnehmen ist, schwingen im Fall der Impulsantwort sowohl Spulenspannung als auch Spulenstrom für Dämpfungsfaktoren p>0 auf den stationären Endwert U(t—> = 0 ein. Ertremwerte Aj können entsprechend Fig. 14 somit direkt nach entsprechender Zeit erfaßt werden.

Im Fall einer Anregung durch einen Sprung (sprungförmige Änderung der Selbstinduktionsspannung) schwingt die Spulenspannung für Dämpfungsfaktoren f>0 auf den stationären Endwert U(t=<*>) = U0 ein. Estremwerte A| der Spulenspannung können nicht direkt erfaßt werden, sondern müssen unter Berücksichtigung von Uo aus den Ertremwerten errechnet werden.

Die Werte der Abweichungen (A1.A2.A3.....) Des Signales können entweder direkt mit geeigneten

Vorrichtungen (Abtast-Halteglied) erfaßt werden oder aus mehreren abgetasteten Werten des Signales (Fig. 15) durch Interpolation berechnet werden. Auch die Periodendauer T kann auf diesem Wege bestimmt werden.

Eine weitere Möglichkeit einer Auswertung mit Abtastung der Signale der Spulenspannung oder des Spulenstromes wird anhand der Impulsantwort der Spulenspannung gezeigt. Dabei geht man von der Gleichung des Antwortsignales zu zwei unterschiedlichen Zeitpunkten ti und tz, nämlich (14) (15) U(t,) = U0 —e^1 sin(cof,) v 1 ω und U(t2) = U0 sin(<Di2) aus.

Derartige Werte für U(ti) und U(tz) erhält man durch Abtastung zu den bekannten Zeitpunkten ti und t2 (Fig. 16). Weiters kann man die Periodendauer T und somit ω des Signales meßtechnisch bestimmen. Bildet man das Verhältnis von U(t2) zu U(ti), erhält man U(t2) e**' sin(<af2) (16) £/(/,) e'**' sinicor,) ” sin(ö>f,) 8 (17)

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Mit Hilfe von (4) kann aus (16) 1 J U(t2) Λ sin(a>/,) (o(f2-rt) C/(r,) sin(<üi2) Γ 1 - ln U(t7) Λ sinioof,) T2 ]£/(/,) sin(<o t2) explizit gemacht werden, wobei auf der rechten Seite von Gleichung (17) nur Größen stehen, die aus der Messung bekannt sind. Somit kann { nach (17) mit einem Digitalrechner (Signal- oder Mikroprozessor) berechnet werden. Die Funktionen sin(x) und ln(x) müssen dabei durch geeignete Reihen approximiert werden.

Diese Möglichkeit der Abtastung und Auswertung besteht auch für den Fall der Anregung durch einen Sprung. Dabei wird zur Auswertung wiederum das Verhältnis zweier abgetasteter Werte z.B. der Spulenspannung (Gleichung (9)) gebildet. Der Dämpfungsfaktor f kann in diesem Fall nicht explizit gemacht werden; Werte für { in Abhängigkeit der Periodendauer T oder von <> kann man durch Iteration (z.B. Newtonsches Näherungsverfahren) bestimmen. Der damit verbundene Rechenaufwand ist jedoch beträchtlich.

Eine weitere Methode zur Bestimmung des Dämpfungsfaktors ¢ geht von der Bildung der Hüllkurve des abklingenden Signales von Spuienspannung oder -ström durch Glättung des gleichgerichteten Signals mit einem Tiefpaßfilter aus. Die Gleichrichtung des ausschwingenden Signales kann entweder durch ein passives Diodennetzwerk oder ein gesteuertes Netzwerk (kohärente oder synchrone Demodulation) erfolgen. In Fig. 17 ist das Ausgangssignal einer Halbwellengleichrichtung, in Fig. 18 das Ausgangssignal einer Vollwellengleichrichtung dargestellt. Die Rekonstruktion der Hüllkurve des gleichgerichteten Signals (Fig. 17, Fig. 18) erfolgt z.B. mittels eines Tiefpaß-Filters (Fig. 19). Zu den Zeitpunkten t, und werden Amplitudenwerte der Hüllkurve abgetastet (Rg. 19) und aus dem Verhältnis der ermittelten Werte t/(»,)'«*" und der gesondert gemessenen Kreisfrequenz <·> kann mit Hilfe von (4)

( 1 J y(<,) f i h ν(Οτ ω(ί2-ί,) R,)J der Dämpfungsfaktor ( bestimmt werden. Diese Art der Auswertung stellt bei hohen Signalfrequenzen die technisch einfachste dar.

Die bisherigen Betrachtungen gelten für ein System zweiter Ordnung, wie es eine einzelne Spule darstellt. Zwei magnetisch gekoppelte Spulen (wie im Fall eines Zweispulengerätes) stellen zwei gekoppelte Systeme zweiter Ordnung dar. Im gegenständlichen Fall (der zusätzlichen Meßfolge) ist ein System stark gedämpft (¢-0,7-1,0) und das zweite schwach gedämpft (¢-0,1-0,6). Die Impuls- sowie die Sprungantwort weist zusätzlich zu den bekannten Signalanteilen (Gleichung 6,7,9,10) einen additiv überlagerten exponentiellen Signalanteil verursacht durch den stark gedämpften Teil des Systems auf. Für den Fall der 9

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Impulsantwort erhält man U = K, *e-** cos(<ot + φ) +K2/T*e-"T.

Eine Auswertung des Einschwingvorganges entsprechend der Theorie eines Systems zweiter Ordnung kann ohne Fehler erst dann erfolgen, wenn die Amplitude des Signalanteils I<2/Te',/T im Verhältnis zum restlichen Signal weitgehend abgeklungen ist. Das bedeutet, daß die Abtastung der Spitzenwerte und die Messung der Periodendauer erst nach einer systemabhängigen Wartezeit möglich ist. Praktisch ist das stark gedämpfte System so ausgelegt, daß die Wartezeit kurz im Vergleich zum restlichen Abklingvorgang ist.

Mit Hilfe des in beschriebener Weise bestimmten Wertes für die Dämpfungskonstante { kann mit Gleichung (4) die Eigenfrequenz des ungedämpften Systems berechnet werden. Durch Auflösen der Gleichungen (2) und (3) nach L bzw. R und Einsetzen der Werte für f und ω0 ist es möglich, Werte für Induktivität L und Spulenwiderstand R im Ersatzschaltbild (Fig.6) zu berechnen, wenn der Wert der Spulenkapazität C bekannt ist. Es können somit die Systemparameter einer gering gedämpften Spule in Abhängigkeit eines Umgebungsmediums durch Auswertung von aufeinanderfolgenden Abweichungen und der Periodendauer anhand des beschriebenen Systems zweiter Ordnung bestimmt werden.

Ist eine Spule ganz oder teilweise von einem Medium mit endlicher Leitfähigkeit x0 sowie einer relativen magnetischen Permeabilität Uro umgeben, werden prinzipiell alle drei passiven Komponenten des Ersatzschaltbildes in Abhängigkeit der elektrischen Eigenschaften des Umgebungsmediums beeinflußt.

Der Wert des ohmschen Widerstandes R im Ersatzschaltbild Fig. 6 wird durch die Wirbelstromverluste im elektrisch leitfähigen Umgebungsmedium beeinflußt. Die relative magnetische Permeabilität u, des Umgebungsmediums beeinflußt den Wert der Induktivität L im Ersatzschaltbild. Der Einfluß der relativen Dielektrizitätskonstante er des Umgebungsmediums auf den Wert der parasitären Spulenkapazität C ist bei einer entsprechend gut gefertigten Spule aber sehr gering und ist zumeist vernachiässigbar.

Der funktionelle Zusammenhang der Veränderung der Spulenparameter R und L durch die Leitfähigkeit *o und die relative magnetische Permeabilität Uro eines Umgebungsmediums kann entweder berechnet oder durch Aufnahme von Kalibrierkurven meßtechnisch bestimmt werden; der Zusammenhang kann in Tabellenform z.B. in einem Speicher (EPROM) vorliegen oder auch als Formel bekannt sein. Mit dieser Kenntnis ist es umgekehrt möglich, aus den Werten der Spulenparameter R und L sowie deren Veränderung gegenüber der vom Medium nicht beeinflußten Luftspule den Wert der elektrischen Leitfähigkeit und der relativen magnetischen Permeabilität eines Umgebungsmediums zu bestimmen.

Die Auswertung der Impuls- oder Sprunganregung wird aufgrund folgender Zusammenhänge möglich: Die Impedanz einer Spule weist einen, von den elektrischen Parametern des Umgebungsmediums der Spule abhängigen Wert auf. Allgemein beträgt die Impedanz der Spule ohne Berücksichtigung der parasitären Spulenkapazität Z = R + j«L(u.r0) (18)

Wird eine Spule aus einem Umgebungsmedium mit Hro = 1 und x0 = 0 (z.B.Luft) in ein Medium mit u.r0*l und *0*0 gebracht, verändert sich die Impedanz Z = R + AR (xo.Uro) + j«> [L + AL(*o,Uro)] (19) in Abhängigkeit von ul,0 und x0. Formale Zusammenhänge von AR und AL von ur0 und x0 können mit Hilfe der Feldtheorie formal oder numerisch berechnet werden. Der Dämpfungsfaktor ξ für ein schwingfähiges System nach Fig. 6 beträgt somit

und die Periodendauer der gedämpften Schwingung 10 (20)

AT 404 408 B 2π ^[ΐ + ΔΖ,(κ0,μ)]θ T =—--5==1=-— (21)

Durch Auflösung der Gleichungen (20) und (21) nach den Variablen *0 und Uro erhält man für *0 und U-ro als Funktion der Periodendauer und des Dämpfungsfaktors ζ *α = /(ί, 7) und Uki = f(t,T) (22)

Diese formalen Zusammenhänge gestatten die Berechnung von Werten der gesuchten Größen aus den gemessenen Werten der Periodendauer T und des Dämpfungsfaktors ¢.

Die Funktionswerte für *0 = f(£.T) sowie ur0 = f({,T) können entweder berechnet werden, oder in Form (dreidimensionaler) Kennlinienfelder gespeichert vorhanden sein. Daraus können Werte für x0 und Uro z.B. durch Interpolation ermittelt werden. Ein wesentlicher Teil des Rechenaufwandes ist dabei vorweggenommen, was bei zeitkritischen Anwendungen wichtig ist.

Prinzipiell ist auch eine Substitution von $ durch ξ

(23) möglich, und man erhält in diesem Fall für *0 und u,o als Funktion der Periodendauer und dem Amplitudenverhältnis von Ai+k/Aj <o =

uod μΓθ =/ \ 4* ,T V 4 (24)

Auf diesem Wege ist es somit möglich, die Parameter *0 und Uro eines Mediums in der Umgebung zumindest einer Induktionsspule meßtechnisch aus dem Ausschwingverhalten einer oder mehrerer gering gedämpfter Spulen zu ermitteln.

Die erfindungsgemäße Vorgangsweise zeigt gegenüber Bereichen höherer Leitfähigkeit mit relativ großen Ausdehnungen im Vergleich zum Spulendurchmesser praktisch eine verschwindend geringe Empfindlichkeit. Zum Beispiel bewirken ein Messing-Zylinder mit einem Durchmesser von 40mm oder ein Al-Zylinder mit 30mm Durchmesser keine meßbare Veränderung des einschwingenden Signals, hingegen bewirkt ein homogener Halbraum bestehend aus Erde mit einem spezifischen Widerstand von 30000m eine auswertbare Veränderung. Das Verfahren eignet sich daher sehr gut zur Bestimmung der elektrischen Parameter eines Umgebungsmediums ohne Beeinflussung durch Bereiche höherer (geringerer) Leitfähigkeit mit geringer (großer) Ausdehnung im Vergleich zum Spulendurchmesser. Dabei ist es vorteilhaft, wenn ein Verhältnis von Bereichsausdehung: Spulendurchmesser S 0,5:30, vorzugsweise 2 0,8:20, insbesondere 2 1:7 gewählt wird.

Dieses Verhältnis sagt aus, daß größere Metallteile keinen meßbaren Einfluß auf die Periodendauer und den Dämpfungsfaktor ( der Spule zeigen, was einerseits durch die relativ geringe Koppelung zwischen der Spule und dem größeren Metallgegenstand zu erklären ist, und andererseits durch den geringen Widerstand größerer Metallgegenstände, an denen nur in geringem Ausmaß Wirkleistung aus dem elektromagnetischen Feld umgesetzt wird. Der leitfähige Halbraum ist aber relativ gut mit dem Feld der Spule gekoppelt. Die in ihm induzierten Wirbelströme setzen an dem Widerstand des Mediums Wirkleistung um, die dem elektromagnetischen Feld entzogen wird. Dadurch wird die Spule zusätzlich gedämpft, was sich anhand des veränderten Ausschwingverhaltens äußert. 11

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Prinzipiell ist es möglich, mehrere Empfangsspulen mit unterschiedlicher Eigenfrequenz ωο zu abklingenden Schwingungen unterschiedlicher Frequenz anzuregen, um solcherart Pulsantworten aus unterschiedlichen Tiefen des zu untersuchenden Mediums zu erhalten, da das Eindringverhalten elektromagnetischer Wellen frequenzabhängig ist. Die Trennung der Signalkomponenten zum Zweck der separaten Auswertung könnte in diesem Fall frequenzselektiv durch Filter auf analoger oder digitaler Basis erfolgen. Es kann aber auch eine Empfangsspule durch zeitliches Parallelschalten von Kapazitäten zeitlich nacheinander zu abklingenden Schwingungen unterschiedlicher Frequenz angeregt werden. Die Signalkomponenten liegen in diesem Fall zeitlich sequentiell zur Auswertung vor.

Die für die beschriebene Auswertung notwendigen Amplituden der Antwortsignale können mit analogen Abtast-Halteeinrichtungen, Spitzenwertdetektoren bzw. Komperatoren 29 erfaßt werden, deren zeitliches Verhalten gesteuert wird, sodaß beliebige Extremwerte bzw. Abtastwerte des Signales festgehalten werden können. Nach einer Analog-Digital-Umsetzung der zur Auswertung gewählten Extremwerte erfolgt die Quotientenbiidung vorzugsweise auf digitaler Basis. Zur Bestimmung der Periodendauer der abklingenden Schwingung wird das Signal, z.B. mit einem Platzdetektor oder Komparator 30. in ein Rechtecksignal umgewandelt und mit einer Zeitmeßeinrichtung 31 die Periodendauer T bestimmt. Rechenoperationen die in weiterer Folge zur Auswertung notwendig sind, werden von einer Auswerteeinheit bzw. einem Signal- oder Mikroprozessor 26 durchgeführt.

Liegen mehrere abgetastete und digitalisierte Signalwerte pro Periode des abklingenden Antwortsignals vor (Fig.15), ist es möglich, durch Interpolation mit einem Signalprozessor fehlende Zwischenpunkte zu berechnen und auf diesem Wege sowohl die Spitzenwerte als auch die Periodendauer zu bestimmen.

Zum erfindungsgemäßen Gedanken gehört es weiters, daß die solcherarts bestimmten Werte der elektrischen Leitfähigkeit und der relativen magnetischen Permeabilität eines Umgebungsmediums verwendet werden, um den tatsächlichen Wert der vom Medium 1 beeinflußten Gegeninduktivität M02 zwischen Sende- und Empfangsspule zu bestimmen bzw. zu berechnen bzw. der Korrektureinheit 34 diesen Wert zuführen bzw. die Ausgleichsvorrichtung 12 auf diesen Wert einstellen zu können.

Bei einer Spulenkombination bzw. einem Zweischleifengerät, d.h. bei getrennter Empfangs- (4) und Sendespule (8), die sich über einem Halbraum oder in einem Raum mit endlicher Leitfähigkeit und relativer magnetischer Permeabilität u,r0 befinden, ist der Wert der Gegeninduktivität M02 einerseits von den geometrischen und elektrischen Spulendaten und andererseits von den elektrischen Eigenschaften des vorhandenen Umgebungsmediums abhängig. Bei fixem oder zumindest bekanntem Spulenabstand und konstanter Spulengeometrie kann der funktionelle Zusammenhang zwischen der Gegeninduktivität M02 und der elektrischen Leitfähigkeit x0 sowie der relativen magnetischen Permeabilität Uro entweder berechnet werden, sodaß er formelmäßig bekannt ist oder meßtechnisch in Form von Kalibrierkurven ermittelt werden, sodaß er in Tabellenform z.B. in einem Speicher (EPROM) vorliegt. Aus bekannten bzw. berechneten Werten für x0 und ur0 kann eine Berechnung von M02 = f(xo,Uro ) anhand des bekannten formelmäßigen Zusammenhangs oder durch Interpolation aus den Daten der Kalibrierkurve erfolgen. Die Einstellung der Ausgleichsvorrichtung 12 auf diesen ermittelten Wert der Gegeninduktivität M02 erfolgt vorteilhafterweise vor dem nachfolgenden Meßschritt bei geringem Dämpfungswiderstand der Spule, sodaß eine exakte Kompensation der Auswirkung der Gegeninduktivität im Empfangssignal gewährleistet ist. Dieser Vorgang erfolgt in Echtzeit und iterationsfrei. Bei einer Einschleifen-Meßvorrichtung ist in Ermangelung einer zweiten Spule eine Gegeninduktivität nicht vorhanden.

Die Aufeinanderfolge der Messungen mit großem bzw. kleinem Dämpfungswiderstand der Empfangsspule 8 muß nicht festgelegt sein. Es kann die Messung der Parameter x0 und u,o durchaus auch erst nach Aufnahme eines Meßsignals bzw. eines gemessenen Spannungsimpulses in der Empfangsspule 8 erfolgen bzw. können die Parameter zur Korrektur eines Empfangssignales nachträglich herangezogen werden. Vorzuziehen ist es jedoch, wenn die Parameter x0 und Uro bereits zur Korrektur des aufgenommenen Empfangssignals zur Verfügung stehen, d.h. die Signalanteile die einerseits durch die elektrische Leitfähigkeit und andererseits durch magnetische Relaxationserscheinungen des Mediums verursacht werden, werden im voraus exakt berechnet und bei der nachfolgenden Auswertung des Empfangssignals von diesem subtrahiert. Vorteilhafterweise erfolgt die Berücksichtigung bzw. Subtraktion dieser Signalanteile nach der Berücksichtigung bzw'. Subtraktion des Signalanteiles der Gegeninduktivität. Die Berechnung der Signalteile erfolgt vorteilhafterweise digital, vorteilhafterweise mit einem Signal- und/oder Mikroprozessor in der Steuereinheit 26. Die Subtraktion kann entweder digital im Prozessor oder nach einer Digital-Analog-Umsetzung auf analoger Basis erfolgen. Auf diesem Wege kann nicht nur der Signalanteil infolge einer relativen magnetischen Permeabilität Uro eliminiert werden, sondern auch jener infolge der elektrischen Leitfähigkeit x0- Weiters ist man nicht auf eine analoge, näherungsweise Darstellung des Funktionsverlaufes angewiesen, sondern kann entsprechende Funktionsverläufe auf digitaler Basis mit beliebiger Genauigkeit generieren. 12

AT 404 408 B ln Fig. 10 ist eine Ausführungsform einer erfindungsgemäBen Vorrichtung beispielsweise näher erläutert und zwar ein Zweischleifengerät mit veränderlichem Dämpfungswiderstand der Empfangsspule.

Mit 35 ist schematisch eine Sendevorrichtung bezeichnet, deren Induktivität mit Lo bezeichnet ist. Durch Unterbrechung eines von einer Stromquelle 5, insbesondere Batterie angespeisten Sendekreises mit einer Schalteinrichtung 6, z.B. einem Schalter, ist die Möglichkeit gegeben, den Versorgungsstrom rasch abzuschalten.

Die Empfangsspule bzw. -schleife 8 mit der Induktivität l_2 ist an die Umschalteinheit 27 angeschlossen, mit der der Dämpfungswiderstand der Spule 8 verändert werden kann. Die Veränderung des Dämpfungswiderstandes zur Durchführung unterschiedlicher Meßschritte erfolgt mittels einer elektronischen Schalteinrichtung durch Umschaltung zwischen zwei Werten von Dämpfungswiderständen unter Steuerung des Mikroprozessors der Steuereinheit 26 allenfalls unter Zuhilfenahme der Zeitmeßeinheit 31.

Ist ein geringer Wert für den Dämpfungswiderstand Rq (z.B. 1kQ und ¢-0,7-1,0) eingestellt, erfolgt nach einer systemspezifischen Wartezeit die Messung der abklingenden Wirbelströme in dem leitfähigen Bereich 2, der sich im Wirkungsbereich des Spulenfeldes befindet entsprechend dem Stand der Technik des Pulsinduktionsverfahrens. Die Auskopplung des Signales dieser Meßfolge in Form der Spulenspannung erfolgt direkt zur Einheit 34 (ohne Beeinflußung durch die Einheiten 27 und 28). Bei der Einheit 34 handelt es sich um einen, gegebenenfalls von der Steuereinheit 26 steuerbaren Summierer-Verstärker auf analoger Basis. Die Analog-Digital-Umsetzung des Summen-Signales von Einheit 34 erfolgt in einer Einheit 33' und wird durch die Steuereinheit 26 gesteuert.

Ist ein hoher Wert für den Dämpfungswiderstand Rq (z.B 100kQ und ¢-0,1-0,6) eingestellt, bewirkt die rasche Veränderung des Magnetfeldes der Sendespule 4 eine impulsförmige Selbstinduktionsspannung Uo in der Spule 8, die zu einem Schwingvorgang der Klemmenspannung (und des Spulenstromes) der Empfangsspule 8 führt. Der Dämpfungswiderstand der Sendespule weist in beiden Fällen bzw. Meßschritten einen geringen Wert (z.B. 1kQ) auf, d.h. der Wert wird nicht verändert.

Die Signalabnahme bzw. -auskoppiung des ausschwingenden Signales aus der Spule im Zuge des zusätzlichen, bei erhöhtem Dämpfungswiderstand (£-0,1-0,6) erfolgenden Meßschrittes kann prinzipiell auf mehreren unterschiedlichen Wegen erfolgen. Wie Fig. 7,8,9,11 zu entnehmen ist, ist im Spulenstrom eine gleichwertige Information enthalten, wie in der Spulenspannung. Zum einen ist es möglich, die Spulenspannung direkt an den Klemmen der Spule abzugreifen, zum anderen kann der Spulenstrom z.B. über einen Shuntwiderstand in eine proportionale Spannung umgewandelt und gemessen werden oder über das mit dem Spulenstrom gekoppelte Magnetfeld, z.B. mit einem Hallelement, gemessen werden oder über die Änderung des mit dem Spulenstrom gekoppelten Magnetfeldes mit einer Induktionsspule gemessen werden usw.

In den Blockschaltbildern gemäß Fig. 10, 10a, 10b ist der Fall der Auskopplung der angeregten Schwingung der Spulenspannung an den Klemmen der jeweiligen Spule dargestellt.

An den Umschalter 27 bzw. an die Empfangsspule 8 in Fig. 10 ist eine Signaldämpfungseinheit 28 angeschaltet. Diese dient dazu, die Amplitude des ausschwingenden Signals auf Werte innerhalb der Betriebsspannungsgrenzen der Meßelektronik 30 zu begrenzen. Dies ist notwendig, um eine zerstörungsfreie Messung z.B. der Amplitudenmaxima zu gewährleisten. Am einfachsten kann dies durch einen ohmschen Spannungsteiler, der das Signal linear durch einen vorgegebenen Faktor teilt bewerkstelligt werden. Es wird dadurch aber nicht nur die Amplitude des ersten Extremwertes verringert, sondern auch die Amplitude der folgenden. Die Amplitude zeitlich späterer Extremwerte des Einschwingsignales ist (im Vergleich zur Amplitude des ersten Extremwertes) sehr gering, was große Auswirkungen von Störungen (EMV-Störungen) z.B. im Zuge der Analog-Digital-Umsetzung (Quantisierungsrauschen) und rechnerischen Verarbeitung zur Folge haben kann.

Mit Hilfe eines nichtlinearen Spannungsteilers, der für große Eingangsamplituden einen großen Teilungsfaktor Ua:U, und für kleine Eingangsamplituden einen kleinen Teilungsfaktor aufweist, kann dieser Nachteil vermieden werden. Praktisch weisen derartige Spannungsteiler z.B. logarithmisches Übertragungsverhalten auf und bestehen z.B. aus Widerstands-Dioden-Netzwerken.

Bei der Bestimmung des Verhältnisses aufeinanderfolgender Extremwerte des Einschwingsignales muß gegebenenfalls das nichtlineare Übertragungsverhalten entsprechend berücksichtigt werden, damit eine Auswertung nach Gleichung (13) erfolgen kann.

Eine weitere Möglichkeit der Dämpfung des Eingangssignals bietet ein TiefpaBfilter (z.B. passiver RC-Tiefpaß). Signale, deren Frequenzen über der Grenzfrequenz des Tiefpaßfilters liegen, werden gedämpft, wobei der Abstand zwischen Grenz- und Signalfrequenz das Ausmaß der Dämpfung bestimmt (z.B. 20dB/Dekade). Das Zeitverhalten einer derartigen Anordnung entspricht im angeführten Frequenzbereich dem eines Integrators. Der zusätzliche Vorteil einer derartigen Anordnung besteht in der Dämpfung hochfrequenter Signalanteile der Spulenspannung, die durch die Antennenwirkung der Spule aufgenommen 13

AT 404 408 B werden. Für den praktischen Betrieb einer derartigen Anordnung ist es notwendig, den Integrator vor dem Beginn des Integrationsvorganges auf null zu setzen und den Startzeitpunkt der Integration wählbar zu gestalten; dies kann z.B. durch elektrisch steuerbare Schalter geschehen.

An diese Einheit 28 ist eine Einheit 30 angeschlossen zur gesteuerten Erfassung von Amplitudenwerten, vorzugsweise aufeinanderfolgenden Amplitudenmaxima des Einschwingsignals entweder der Spulenspannung oder des Spulenstromes oder daraus abgeleiteter Signale. In der Einheit 30 finden vorzugsweise gesteuerte Komparatoren oder Spitzenwertdetektoren Verwendung, deren Steuerung durch die Steuereinheit 26 allenfalls unter Zuhilfenahme der Zeitmeßeinheit 31 erfolgt, die Analog-Digital-Umsetzung der erfaßten Amplitudenmaxima des Einschwingsignals erfolgt in der Einheit 33', und wird durch die Steuereinheit 26 gesteuert.

An die Empfangsspule 8 in Fig. 10 ist die Einheit 29 angeschlossen, in der die Nulldurchgänge des Einschwingsignals detektiert werden, was vorzugsweise unter Verwendung von Komparatoren erfolgt. An die Einheit 29 ist die Einheit 31 zur Bestimmung der Periodendauer, vorzugsweise eine Zeitmeßeinheit angeschlossen. Die Steuerung der Zertmeßeinheit 31 erfolgt durch die Steuereinheit 26, ebenso das Auslesen der Information über die Periodendauer.

Mit Hilfe der erfaßten Daten (Periodendauer und Amplitudenmaxima) erfolgt in der Steuereinheit 26 eine Errechnung der Parameter u*) und *0 des Mediums oder eine Ermittlung dieser Parameter aus abgespeicherten Werten von Kalibrierungstabellen, sowie eine Korrektur des bei geringem Dämpfungswiderstand RD aufgenommenen Signals.

Die Ermittlung der Parameter u,o und *0 erfolgt im Signal- oder Mikroprozessor der Steuereinheit 26 durch Berechnung, Iteration oder Ermittlung des Dämpfungsfaktors ( und der Periodendauer ω0 anhand von Kalibriertabellen für ein System zweiter Ordnung entweder aus dem Quotienten zweier vorzugsweise aufeinander folgender Amplitudenmaxima und der Periodendauer des Einschwingsignals, entweder der Spulenspannung oder des Spulenstromes oder daraus abgeleiteter Signale.

An die Sendespule 4 ist eine, von der Steuereinheit 26 gesteuerte Strom- bzw. Spannungsaufnahmeeinheit bzw. Ausgleichsvorrichtung 12 angeschlossen, um ein aus der Änderung des Sendestromes abgeleitetes, entgegengerichtet gleich großes Spannungssignal wie es im Zuge der Messung mit erhöhtem Dämpfungswiderstand aufgrund der Gegeninduktivität Mo 2 an den Klemmen der Empfangsspule 8 auftritt, der Einheit 34 zuzuführen. In der Einheit 34 werden die solcherarts gewonnene Spannung und die Klemmenspannung der Empfangsspule 8 (im Zuge der Messung mit geringem Dämpfungswiderstand R0) voneinander subtrahiert und somit die Auswirkung der Gegeninduktivität M02 eliminiert. In der Einheit 34 werden diese Spannung und die Klemmenspannung der Empfangsspule 8 (im Zuge der Messung mit erhöhtem Dämpfungswiderstand R0) voneinander subtrahiert, und somit die Auswirkung der Gegeninduktivität Mo2 eliminiert. Der aktuelle von den Parametern x0 und des Umgebungsmediums 1 beeinflußte Wert der Gegeninduktivität M02 wird in der Steuereinheit 26 aus den in beschriebener Weise ermittelten Parametern x0 und υ,ο berechnet oder aus gespeicherten Kalibriertabellen ermittelt. Die Steuerung der Ausgleichsvorrichtung 12 erfolgt durch die Steuereinheit 26 derart, daß in der Ausgleichsvorrichtung 12 der Proportionalitätsfaktor zwischen der Änderung des Stromes in der Sendespule und der Spannung am Ausgang der Ausgleichsvorrichtung 12 gleich dem aktuellen Wert der Gegeninduktivität M02 ist.

Der Einheit 12 ist die Einheit 40 zur Anpassung des Frequenzganges der Ausgleichsvorrichtung 12 an die Frequenzgang-Charakteristik der Gegeninduktivität M02 zwischen Sende- und Empfangsspule 8 nachgeschaltet und durch die Verwendung einer analogen oder digitalen Ritereinheit realisiert, soferne diese Anpassung nicht bereits durch das elektronische Netzwerk der Ausgleichsvorrichtung 12 bewerkstelligt wird, wobei das elektrische Verhalten (Filtercharakteristik, Grenzfrequenz) der Filtereinheit 40 gegebenenfalls durch die Steuereinheit 26 gesteuert werden kann.

Diese Korrektur des Signals der Messung mit geringem Dämpfungswiderstand Rd kann auf rein digitaler Basis (ohne Verwendung der Einheit 33) in der Steuereinheit 26 erfolgen, oder aber unter Verwendung eines Digital-Analog-Umsetzers 33 und Verwendung einer Einheit 34 auf analoger Basis. Die Einheit 34 stellt einen gegebenenfalls durch die Einheit 26 steuerbaren Summierer auf analoger Basis dar.

Mit einer an die Steuereinheit 26 angeschlossenen Anzeigeeinheit 37 kann eine optische und/oder akustische Anzeige betreffend die detektierten Bereiche 2 höherer oder geringerer Leitfähigkeit im Medium 1 erfolgen. Mit 38 ist eine Eingabeeinheit z.B. zur Eingabe von bekannten Zusammenhängen bzw. für Kalibriertabellen, Schaltvorgänge bzw. -Zeiten usw. sowie für Informationen über die geometrische Form des zu untersuchenden Mediums z.B. (Haibraum, Raum) etc. bezeichnet. Mit 39 sind Sensoren für Umweltparameter z.B. Temperatur, Feuchtigkeit usw. angedeutet, die allenfalls in die Berechnungen einbezogen werden können. 14

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Die bisherigen Ausführungen erfolgen für ein Gerät mit getrennter Sende- und Empfangsspule gemäß Fig. 10, bei dem der Dämpfungswiderstand R0 der Empfangsspule umgeschalten werden kann.

In Fig. 10 b ist ein Gerät mit getrennter Sende- und Empfangsspule dargestellt, bei dem der Dämpfungswiderstand Ro der Sendespule (von der Steuereinheit 26 gesteuert) mit Hilfe der Umschalteinheit 27 verändert werden kann. Durch Unterbrechung des von einer Stromquelle 5, insbesondere Batterie angespeisten Sendekreises mit einer Schalteinrichtung 6, z.B. einem Schalter, ist die Möglichkeit gegeben, den Spulenstrom I und das damit verbundene Magnetfeld rasch abzuschalten. Die dabei in der Sendespule 4 entstehende impulsartige Selbstinduktionsspannung Uo führt im Fall eines hohen Wertes- des Dämpfungswiderstandes Rd zu einem Schwingvorgang der Spannung an den Klemmen der Spule. Der Dämpfungswiderstand der Empfangsspule 8 weist in beiden Fällen einen geringen Wert (z.B. 1kQ) auf, d.h. der Wert wird nicht verändert.

Die Signalabnahme bzw. -auskopplung des ausschwingenden Signales aus der Sendespule im Zuge der zusätzlichen Meßfolge mit erhöhtem Dämpfungswiderstand (¢-0,1-0,6) kann prinzipiell auf mehreren unterschiedlichen Wegen erfolgen. Zum einen ist es möglich, die Spulenspannung direkt an den Klemmen der Empfangsspule abzugreifen, zum anderen kann der Spulenstrorn z.B. über einen Shuntwiderstand in eine proportionale Spannung umgewandelt und gemessen werden oder über das mit dem Spulenstrom gekoppelte Magnetfeld, z.B. mit einem Hallelement, gemessen werden oder über die Änderung des mit dem Spulenstrom gekoppelten Magnetfeldes mit einer Induktionsspule gemessen werden.

In dem Blockschaltbild gemäß Fig. 10b ist der Fall der Auskopplung der angeregten Schwingung der Spulenspannung an den Klemmen der Sendespule dargestellt. Die Signaldämpfungseinheit 28 erfüllt die selben Aufgaben wie in der bereits beschriebenen Anordnung gemäß Fig. 10, ebenso die übrigen angeführten Einheiten. Die Spule 8 dient im vorliegenden Fall zur Durchführung des Meßschrittes des bekannten Pulsinduktionsverfahrens.

Auch mit Geräten mit einer einzigen, Sende- und Empfangsfunktion erfüllenden Spule kann das erfindungsgemäße Verfahren angewendet werden.

Gemäß Hg. 10a kann mit Hilfe der Umschalteinhert 27 der Dämpfungswiderstand Rd der einzigen Spule Lo verändert werden. Durch Unterbrechung des von einer Stromquelle 5, insbesondere Batterie, angespeisten Sendekreises mit einer Schalteinrichtung 6, z.B. einem Schalter, ist die Möglichkeit gegeben, den Spulenstrom I und das damit verbundene Magnetfeld rasch abzuschalten. Die dabei in der Spule entstehende impulsartige Selbstinduktionsspannung Uo führt im Fall eines hohen Wertes des Dämpfungswiderstandes R0 zu einem Einschwingvorgang der Spannung an den Klemmen der Spule, aus dem die Parameter Uro und x0 ermittelbar sind. Die Signalabnahme bzw. -auskopplung des Signales der Spule im Zuge der zusätzlichen Meßfolge mit erhöhtem Dämpfungswiderstand (¢-0,1-0,6) kann in der bereits beschriebenen Form erfolgen. Im Blockschaltbild gemäß Fig. 10a ist der Fall der Auskopplung der angeregten Schwingung der Spulenspannung an den Klemmen der Sendespule dargestellt. Abwechselnd erfolgt eine Anzahl von Messungen mit hohem bzw. geringem Dämpfungswiderstand. Die übrigen in Fig. 10a dargestellten Einheiten erfüllen die selben Aufgaben wie in der Anordnung gemäß Fig. 10. Die Ausgleichsvorrichtung 12 entfällt bei einem Einspulengerät, da nur eine Spule vorhanden ist.

In allen bisher besprochenen Fällen ist die Konfiguration der Spule mit veränderlichen Dämpfungswiderstand derart gewählt, daß die Frequenz der Ausschwingvorgänge 20 (Fig. 12) durch geeignete Wahl der frequenzbestimmenden Kenngrößen (Induktivität und Kapazität) der Spule im Bereich zwischen einigen Kilohertz und der Eigenfrequenz der Spule liegt. Mit unterschiedlichen Frequenzen können allerdings unterschiedliche Eindringtiefen im zu untersuchenden Medium erreicht werden.

In allen bisher besprochenen Fällen erfolgt die zusätzliche Meßfolge mit erhöhtem Dämpfungswiderstand (¢-0,1-0,6) vorteilhafterweise unmittelbar, d.h. so kurz wie möglich, vor der Meßfolge mit geringem Dämpfungswiderstand (¢-0,7-1,0), d.h. wenn die Amplitude des Einschwingvorganges unter einen gewissen Signalwert abgefallen ist bzw. eine gewisse vorgegebene Zeitspanne 19 verstrichen ist bzw. eine bestimmte Anzahl von Amplitudenwerten und Nutldurchgängen (Fig. 14,15) festgestellt wurde. Die Anregung für den nächsten Meßschritt darf erst dann erfolgen, wenn alle zur Ermittlung von x0 und Uk> des Mediums 1 notwendigen Meßwerte des Einschwingvorganges aufgenommen sind. Bei einem Zweispulengerät muß vor der Aufnahme der notwendigen Meßwerte gewartet werden, bis der exponentielle Anteil K1/T*e-t/T im Einschwingsignal verursacht durch die magnetisch gekoppelte Spule mit geringem Dämpfungswiderstand (¢-0,7-1,0) abgeklungen ist.

Sinnvollerweise soll der Zeitpunkt 18 der Anregung des Antwortsignales so kurz wie möglich vor der Anregung des Empfangssignales liegen, um mit Hilfe möglichst aktueller Meßwerte (xo und u^>) die Korrektur der darauffolgenden Messung sowie die Einstellung des Wertes der Koppelinduktivität M02 zu ermöglichen. 15

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Es ist allerdings möglich, zwischen einzelnen Meßschritten gewisse Zeitspannen verstreichen zu lassen, allenfalls, um mit den Spulen andere Meßverfahren abwickeln zu können.

In allen bisher besprochenen Fällen ist es ferner möglich, durch Abtastung (wie in Fig. 15 dargestellt) und Analog-Digital-Umsetzung mehrerer Amplitudenwerte 23 des Einschwingsignals und durch Interpolation z.B. mittels eines Signalprozessors die Werte aufeinanderfolgender Extremwerte Ai, A2.....sowie die

Periodendauer des Einschwingsignals zu ermitteln, daraus nach Gleichung (4) und (13) den Dämpfungsfaktor ¢ und die Eigenfrequenz ωο des ungedämpften Systems zu berechnen, und daraus die Parameter *0 und u,o des Mediums 1 zu bestimmen. Für diesen Fall der Aufnahme und Auswertung sind die Einheiten 29 und 30 nicht zwingend erforderlich.

Eine weitere Möglichkeit der Aufnahme und Auswertung des Einschwingsignals besteht in der Abtastung und Analog-Digital-Umsetzung von zwei Amplitudenwerten zu zwei bekannten Zeitpunkten ti und ti, sowie der Messung der Periodendauer des Einschwingsignals. Mit den ermittelten Werten ist es möglich, den Dämpfungsfaktor ξ und die Eigenfrequenz ω0 des ungedämpften Systems direkt nach Gleichung (17) zu berechnen oder durch Iteration zu bestimmen, und daraus die Parameter *0 und Uro zu berechnen. Für diesen Fall der Aufnahme und Auswertung ist die Einheit 30 nicht zwingend erforderlich.

Wenn man eine Auswertung derart vornehmen will, daß im Zuge des weiteren Meßschrittes Werte der Periodendauer und zumindest zwei Abtastwerte zu jeweils bekannten Zeitpunkten ti und k der mit Hilfe eines Glättungsfilters (Tiefpaß) aus dem gleichgerichteten aufgenommenen Signal gebildeten Hüllkurve, gegebenenfalls unter Berücksichtigung System- und funktionsbedingter Wartezeiten, aufgenommen werden, so ist es zweckmäßig eine Anordnung gemäß Fig. 10c bzw. 10d bzw. 10e vorzusehen. Bei diesen Anordnungen ist der Spule, in der das ausschwingende Signal ausgebildet wird, ein Gleichrichter 41 nachgeordnet, an den ein Tiefpaßfilter 42 angeschlossen ist, das über einen A/D-Wandler 33' an die Steuereinheit 26 angeschlossen ist. Der Gleichrichter 41 ist mit dem Komperator 29 verbunden. Die übrigen in Fig. 10c bzw. 10d bzw. 10e dargestellten Einheiten erfüllen die selben Aufgaben wie in der Anordnung gemäß Fig. 10.

Unter im wesentlichen abschnittsweise bzw. relativ homogenem Medium ist z.B. Seewasser zu verstehen, das, abgesehen von treibenden Gegenständen (Holz, Algen usw), sicherlich als gut homogen anzusehen ist. Auch sind Erdböden, Sandböden, Felsböden bzw. Kombinationen davon bezüglich ihrer elektrischen Eigenschaften als im wesentlichen homogen anzusehen, da die unterschiedlichen Böden vergleichbare magnetische bzw. elektrische Eigenschaften haben, insbesondere, wenn man Sie mit den Eigenschaften metallischer Gegenstände vergleicht.

Zu bemerken ist, daß erfindungsgemäß, das bei geringem Dämpfungswiderstand aufgenommene und nach einer e-Potenz abfallende Empfangssignal ausgewertet wird, indem von diesem die Signalanteile, die aus der Auswertung der ausschwingenden Antwortsignaie gewonnen werden, subtrahiert werden.

Durch eine Stromänderung in einer Spule oder durch eine Änderung des magnetischen Feldes (mag. Flusses), welcher durch die Räche einer Spule tritt, wird einerseits zumindest in einer gering gedämpften Spule (¢-0,1-0,6) eine abklingende Schwingung von Spulenspannung und -ström angeregt, andererseits ein abklingender (Wirbel-)Strom im elektrisch leitfähigen Medium 1 ausgelöst. Das mit Spulenstrom und -Spannung verbundene elektromagnetische Feld tritt mit dem Medium 1 in Wechselwirkung, was eine Veränderung der Parameter R und L des Spulenersatzschaltbildes Rg. 6 um AL und AR bewirkt. Das mit dem abklingenden (Wirbel-) Strom im Medium 1 verbundene elektromagnetische Feld ist dabei dem Spulenfeld überlagert, und wirkt auch auf die Spule zurück. Diesen Vorgang der Rückwirkung kann man sich so vorstellen, wie z.B. die Rückwirkung einer stark gedämpften Sendespule (¢-0,7-1,0) auf eine gering gedämpfte Empfangsspule (¢-0,1-0,6) im Zuge einer Anregung wie oben angeführt. Im Fall einer derartigen Beeinflussung müßte wie im Falle des Zweispulengerätes eine Wartezeit bei der Auswertung berücksichtigt werden, bis der (Wirbel-)Strom im Medium 1 abgeklungen ist. Bei einem Zweispulengerät ist diese Wartezeit zusätzlich zu der durch die stark gedämpfte Spule (¢-0,7-1,0) verursachten Wartezeit zu berücksichtigen, wobei beide Wartezeiten gleichzeitig laufen, die länger andauernde und mit der größeren Amplitude verbundene aber von Bedeutung ist. Bei einem Einspulengerät ist gegebenenfalls nur die Wartezeit infolge des Wirbelstromes im Medium 1 zu beachten.

Die Anregung der Spule, in der eine abklingende Schwingung ausgebildet werden soll, ist auf verschiedene Weise möglich. Es kann vorgesehen werden, daß zur Ausbildung einer abklingenden Schwingung in der Spule eine Schalteinrichtung zur Unterbrechung eines in der Spule ausgebildeten Stromflußes vorgesehen ist oder daß eine weitere Spule vorgesehen ist, mit der ein Magnetfeldpuls ausbildbar ist, welche weitere Spule an die zur abklingenden Schwingung induktiv anzuregenden Spule ankoppelbar ist oder daß an diese Spule ein Oszillator (Vierpol) schließbar und von der Spule zu vorgegebenen Zeiten abtrennbar ist. Wesentlich ist, daß während des Abklingens der Schwingung bzw. der Signalaufnahme die Spule an das Medium angekoppelt ist, sodaß die Parameter des Mediums für den 16

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Schwingungsverlauf charakteristisch sind.

Eine Möglichkeit zur Anregung einer abklingenden Schwingung von Spuienspannung und -ström in einer Spule, die zusammen mit ihrer parasitären Kapazität oder einer parallel geschalteten Kapazität den frequenzbestimmenden Teil einer Oszillator-Schaltung bildet, besteht z.B. darin, die entdämpfende Wirkung des Verstärkervierpoles (auf den Rückkoppelvierpol) plötzlich aufzuheben. Dies kann z.B. durch Trennung des Verstärkervierpoles vom Rückkoppeivierpol durch einen entsprechenden Elektronischen Schalter erfolgen. Spulenstrom und -Spannung schwingen aus, bis die zum Zeitpunkt der Trennung in der Spule gespeicherte Energie durch Abstrahlung oder Energieumsetzung (Wärme) aufgezehrt ist. Es ist zu beachten, daß die Phasenlage der Schwingung von Spulenspannung und -ström im Augenblick des Wegfalles der entdämpfenden Wirkung des Verstärkervierpoles auf das Ausschwingverhalten einen wesentlichen Einfluß hat.

Ebenso kann man eine abklingende Schwingung von Spulenspannung und -ström einer Spule ausbilden, die zusammen mit ihrer parasitären Kapazität oder einer parallel geschalteten Kapazität an z.B. einen Wechselsignalgenerator (Sinus-Generator) angeschlossen ist, indem die Spule (und gegebenenfalls der externe Kondensator) durch einen Schalter von dem Generator getrennt wird. Auch in diesem Fall hat die Phasenlage der Generatorspannung im Augenblick der Trennung wesentlichen Einfluß auf das Ausschwingverhalten von Spulenspannung und -ström.

Verwendet man anstelle der separaten Empfangsspule eines Zweispulengerätes eine andere magnetfeldempfindliche Signalaufnahmeeinheit z.B. Hallelement, Magnetoresistive Sensoren, Flux-Gate-Sensoren od.dgl., so ist dabei zu beachten, daß manche dieser Magnetfeldsensoren (speziell die genannten) im Gegensatz zur Induktionsspule den Wert bzw. den Betrag der magnetischen Rußdichte messen, und nicht die Änderung der magnetischen Flußdichte wie z.B. eine Luftspule.

Wie beim Zweispulengerät existiert auch im Fall der Verwendung anderer magnetfeldempfindlicher Sensoren ein von den elektrischen Parametern des relativ homogenen Mediums 1 abhängiger Koppelfaktor zwischen Sendespule und signalaufnehmender Einheit der zu berücksichtigen bzw. zu kompensieren ist.

Zu diesem Zweck ist an die Sendespule 4 eine von der Steuereinheit 26 gesteuerte Strom- bzw. Spannungsaufnahmeeinheit bzw. Ausgleichsvorrichtung 12 angeschiossen, um ein aus dem Wert des Sendestromes abgeleitetes, entgegengerichtet gleich großes Spannungssignal, wie es im Zuge der Messung mit erhöhtem Dämpfungswiderstand aufgrund des Koppelfaktors an den Klemmen der magnetfeldempfindlichen Signalaufnahmeeinheit auftritt, der Einheit 34 zuzuführen.

In der Einheit 34 werden die solcherarts gewonnene Spannung und die Klemmenspannung der Signalaufnahmeeinheit (im Zuge der Messung mit erhöhtem Dämpfungswiderstand Ro) voneinander subtrahiert und somit die Auswirkung des Koppelfaktors eliminiert.

Der aktuelle, von den Parametern x0 und Uro des Umgebungsmediums 1 beeinflußte Wert des Koppelfaktors wird in der Steuereinheit 26 aus den in beschriebener Weise ermittelten Parametern x0 und u,o berechnet oder aus gespeicherten Kalibriertabellen ermittelt. Die Steuerung der Ausgleichsvorrichtung 12 erfolgt durch die Steuereinheit 26 derart, daß in der Ausgleichsvorrichtung 12, in diesem Fall der Proportionalitätsfaktor zwischen dem Wert des Stromes in der Sendespule und der Spannung am Ausgang der Ausgleichsvorrichtung 12 gleich dem aktuellen Wert des Koppelfaktors ist.

Der Einheit 12 ist die Einheit 40 zur Anpassung des Frequenzganges der Ausgleichsvorrichtung 12 an die Frequenzgang-Charakteristik des Koppelfaktors zwischen Sendespule und der magnetfeldempfindlichen Signalaufnahmeeinheit nachgeschaltet und durch die Verwendung einer analogen oder digitalen Hltereinheit realisiert, sofeme diese Anpassung nicht bereits durch das elektronische Netzwerk der Ausgleichsvorrichtung 12 bewerkstelligt wird, wobei das elektrische Verhalten (Rltercharakteristik, Grenzfrequenz) der Ritereinheit 40 gegebenenfalls durch die Steuereinheit 26 gesteuert werden kann.

Rg. 20 zeigt ein erfindungsgemäßes Untersuchungsgerät zum Suchen von Metallteilen im Erdreich und/oder Wasser, insbesondere Seewasser, bei dem in einem gegebenenfalls platten- oder scheibenförmigen Grundträger 43 zwei Spulen 4 und 8 angeordnet sind; diese Spulen sind im wesentlichen mit ihren Windungen parallel zur Unterseite des Trägers 43 ausgerichtet. Der Träger 43 ist von einem verlängerten Handgriff 44 getragen, sodaß der Träger 43 in geringer Höhe über den Erdboden bzw. in Wasser geführt werden kann. Über entsprechende Verbindungsleitungen 46 sind die beiden Spulen mit einer Stromversorgung 5, sowie mit der Auswerteeinheit verbunden, die in einem Gehäuse 45 angeordnet ist. Das Gehäuse 45 und die Stromversorgung können von der Bedienungsperson mitgetragen werden und sind vorteilhafterweise getrennt von dem Träger 43 und dem Handgriff 44 angeordnet, da der Träger 43 sodann gewichtvermindert d.h. unbelastet von Stromversorgungs- und Auswerteeinheit leichter über dem Erdboden bewegt werden kann. Es ist selbstverständlich auch möglich, die Stromversorgung und die Auswerteeinheit am Träger 43 und/oder am Handgriff 44 anzuordnen, z.B. dann, wenn die erfindungsgemäße Anordnung auf einem motorgetriebenen Fahrzeug angeordnet ist. Die tatsächliche Ausbildung des Aufbaues des Gerätes 17

Claims (27)

1. AT 404 408 B kann für verschiedene Anwendungszwecke nahezu beliebig variiert werden. Patentansprüche 1. Verfahren zur Untersuchung eines im wesentlichen abschnittsweise bzw. relativ homogenen Mediums (1), vorzugsweise Erdreich, Wasser, mit einer endlichen elektrischen Leitfähigkeit (x0) sowie einer relativen magnetischen Permeabilität (Uro) auf das Vorhandensein von Bereichen (2) unterschiedlicher, insbesondere erhöhter elektrischer Leitfähigkeit und/oder relativer magnetischer Permeabilität, wobei im Pulstechnikverfahren arbeitend in einem Meßschritt mit einer Sendespule ein Magnetfeldpuls in das Medium (1) eingebracht wird und die Änderung des Magnetfeldes der durch den Magnetfeldpuls im Medium (1) induzierten Ströme in einer magnetfeldsensitiven Signalaufnahmeeinheit, vorzugsweise in einer geringen Dämpfungswiderstand, vorzugsweise eine Dämpfungskonstante ( zwischen 0,7 und 1,0, aufweisenden Empfangsspule, als Empfangssignal aufgenommen und dieses Empfangssignal zumindest teilweise einer Auswertung in einer Auswerteeinheit zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in einem weiteren Meßschritt die vorhandene Sendespule oder eine in der Signalaufnahmeeinheit vorhandene Empfangsspule oder zumindest eine eigene Spule auf hohen Dämpfungswiderstand (R0), vorteilhafterweise auf eine Dämpfungskonstante ( zwischen 0,08 und 0,6, umgeschaltet und zu einer abklingenden Schwingung angeregt wird, wobei das oszillierende Magnetfeld der Spule mit dem zu untersuchenden Medium (1) in Wechselwirkung steht, so daß die elektrischen Parameter des Mediums (1) das oszillierende Magnetfeld beeinflussen, daß mit einer Empfangseinrichtung die ausgekoppelte Spulenspannung und/oder der Spulenstrom und/oder eine mit einer dieser Größen zusammenhängende elektromagnetische Größe dieser zu einer abklingenden Schwingung angeregten Spule als auszuwertende(s) Signal(e) ab- bzw. aufgenommen wird (werden), daß aus diesem(n) aufgenommenen abklingenden elektrischen Signal(en) aufgrund der mathematisch und physikalisch eindeutigen Veränderung der elektrischen Spulenparameter (R,L) durch die elektrischen Parameter (x0, Uro) des Mediums (1) in eindeutiger Weise auf xo und u.« Rückschlüsse gezogen bzw. diese Parameter ermittelt und in weiterer Folge die Auswirkungen von x0 und u,o im Empfangssignal der Signalaufnahmeeinheit ausgeschaitet werden, die von den Parametern (x0 und Uro) verursachten Signalanteile und/oder die beeinflußten Kenngrößen (M02 bzw. der Koppelfaktor) ermittelt werden und daß mit diesen ermittelten Signalanteilen und/oder mit Hilfe der ermittelten Kenngrößen das mit der Signalaufnahmeeinheit aufgenommene Empfangssignal bzw. der zur Auswertung herangezogene Teil dieses Empfangssignals, insbesondere durch Subtraktion, korrigiert wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die abklingende Schwingung in der Spule durch Selbstinduktion infolge einer Veränderung, Vorzugsweise einer Unterbrechung eines Stromflußes in der Spule oder durch Ankopplung eines veränderlichen Magnetfeldes an die Spule, oder mit einer an die Spule anschließbaren und von dieser abtrennbaren Oszillatoreinheit angeregt wird.
3. 3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet daß der im Zuge des weiteren Meßschrittes aufgenommene bzw. berechnete Wert der Gegeninduktivität (M02) zwischen der Sende- (4) und der Empfangsspule (8) eines Zweischleifenmeßgerätes bzw. der Koppelfaktor zwischen der Sendespule (4) und der magnetfeldsensitiven Signalaufnahmeeinheit herangezogen wird, um das Empfangssignal der Signalaufnahmeeinheit, vorzugsweise das Empfangssignal geringen Dämpfungswiderstand (Rd) aufweisenden Empfangsspule zu korrigieren, d.h. ein aus den Sendesignaien abgeleitetes Signal entsprechend (dem ermittelten Wert z.B. von M02) zu gewichten (skalieren) und dieses Signal zu subtrahieren bzw. negative Signalwerte zu addieren und/oder daß die im Zuge des weiteren Meßschrit-tes aufgenommenen bzw. berechneten Signalanteile herangezogen werden, um dieses Empfangssignal mit dem(n) von den elektrischen Eigenschaften des Mediums (1) verursachten Signalwert(en) zu korrigieren, d.h., die entsprechenden Signalwerte zu subtrahieren bzw. negative Signalwerte zu addieren.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Zuge des weiteren Meßschrittes Werte der Periodendauer (T) und zumindest zwei aufeinanderfolgende relative Extremwerte (Aj und Aj+k) des aufgenommenen Signals, gegebenenfalls unter Berücksichtigung System- und funktionsbedingter Wartezeiten, ermittelt werden, daß aus dem Verhältnis der relativen Extremwerte 18 AT 404 408 B (Ai+ k/Aj) und dem Wert der Periodendauer (T) Werte der Dämpfungskonstante ({) und der Kreisfrequenz (ω0), insbesondere für das System-Modell 2.0rdnung (Fig.6) berechnet werden, daß in weiterer Folge, gegebenenfalls nach einer Berechnung von Zwischenwerten (AR und AL), Werte für die Parameter (xo und ur0) des Mediums (1) berechnet werden, aus denen Werte der Gegeninduktivität (M02) zwischen der Sende- (4) und der Empfangsspule (8) eines Zweischleifenmeßgerätes bzw. der Koppelfaktor zwischen der Sendespule (4) und der magnetfeldsensitiven Signalaufnahmeeinheit und/oder die Signalanteile berechnet werden, die durch die elektrischen und magnetischen Eigenschaften des Mediums (1) verursacht werden, wobei die Gegeninduktivität (M02) bzw. des Koppelfaktors und/oder der Signalanteile, gegebenenfalls direkt, d.h. ohne explizite Berechnung von Zwischengrößen ((,<d0,AR,AL,x0 und ur0), aus dem Verhältnis der relativen Extremwerte (Aj+k/Ai) und dem Wert der Periodendauer (T) berechenbar ist, indem die Zwischenschritte implizit in den Bestimmungsgleichun-gen berücksichtigt werden, und daß die Berechnung anhand von Formeln und/oder durch Interpolation aus vorausberechneten und gespeicherten Werten der Formeln und/oder durch Interpolation aus aufgenommenen und gespeicherten Werten von Kalibrierkurven durch Interpolation in einer Recheneinheit erfolgt.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet daß im Zuge des weiteren Meßschrittes der Werte der Periodendauer (T) und mehr als zwei Abtastwerte pro Periode des aufgenommenen Signals zu äquidistanten Zeitpunkten, gegebenenfalls unter Berücksichtigung System-und funktionsbedingter Wartezeiten, aufgenommen und aus diesen Werten durch Interpolation zumindest zwei aufeinanderfolgende relative Extremwerte (Aj und A+k) berechnet werden und mit dem Verhältnis (Ai+k/Ai) und dem Wert der Periodendauer (T) Werte der Dämpfungskonstante ( berechnet und/oder gegebenenfalls durch Iteration bestimmt und die Kreisfrequenz (ωο),insbesondere für das System-Modell 2. Ordnung (Fig. 6) und in weiterer Folge, gegebenenfalls nach einer Berechnung von Zwischenwerten (AR und AL), Werte für die Parameter (xo und u.r0) des Mediums (1) berechnet werden, woraus Werte der Gegeninduktivität (M02) zwischen der Sende- (4) und der Empfangsspule (8) eines Zweischleifenmeßgerätes bzw. der Koppelfaktor zwischen der Sendespule (4) und der magnetfeldsensitiven Signalaufnahmeeinheit und/oder Signalanteile, die durch die elektrischen und magnetischen Eigenschaften des Mediums (1) verursacht werden, berechnet werden, wobei die Berechnung der Gegeninduktivität (M02) bzw. des Koppelfaktors und/oder der Signalanteile gegebenenfalls direkt, d.h. ohne explizite Berechnung von Werten von Zwischengroßen (£,<oo,AR,AL,xo und u.r0), aus dem Verhältnis der relativen Extremwerte Ai+k/Aj und dem Wert der Periodendauer (5) erfolgen kann, wenn die Zwischenschritte implizit in den Bestimmungsgleichungen berücksichtigt werden, und daß die Berechnung anhand von Formeln und/oder durch Interpolation aus vorausberechneten und gespeicherten Werten der Formeln oder durch Interpolation aus aufgenommenen und gespeicherten Werten von Kalibrierkurven durch Interpolation in einer Recheneinheit erfolgt.
6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Zuge des weiteren Meßschrittes Werte der Periodendauer (T) und zumindest zwei Abtastwerte zu jeweils bekannten Zeitpunkten (ti und fc) des aufgenommenen Signals, gegebenenfalls unter Berücksichtigung system-und funktionsbedingter Wartezeiten, aufgenommen und aus diesen Werten und dem Wert der Periodendauer (T) Werte der Dämpfungskonstante (ξ) berechnet und/oder gegebenenfalls durch Iteration bestimmt werden, wobei die Kreisfrequenz (ωοinsbesondere für das System-Modell 2.0rdnung (Fig. 6), gegebenenfalls in weiterer Folge Zwischenwerte (AR und AL), und schließlich Werte für die Parameter (x0 und ur0) des Mediums (1) berechnet werden, aus denen Werte der Gegeninduktivität (M02) zwischen der Sende- (4) und der Empfangsspule (8) eines Zweischleifenmeßgerätes bzw. der Koppelfaktor zwischen der Sendespule (4) und der magnetfeldsensitiven signaiaufnehmenden Einheit und/oder Signalanteile, die durch die elektrischen und magnetischen Eigenschaften des Mediums (1) verursacht werden, berechnet werden, wobei die Berechnung der Gegeninduktivität (M02) bzw. des Koppelfaktors und/oder der Signalanteile gegebenenfalls direkt, d.h. ohne explizite Berechnung von Werten der Zwischengrößen ({,«üo,AR,AL,x0 und ur0) aus dem Verhältnis der beiden abgetasteten Werte der Hüllkurve (U(ti) und U(tz)) und dem Wert der Periodendauer (T) erfolgen kann, wenn die Zwischenschritte implizit in den Bestimmungsgleichungen berücksichtigt werden, und daß die Berechnung anhand von Formeln, oder durch Interpolation aus vorausberechneten und gespeicherten Werten der Formeln und/oder durch Interpolation aus aufgenommenen und gespeicherten Werten von Kalibrierkurven durch Interpolation in einer Recheneinheit erfolgt. 19 AT 404 408 B
7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Zuge des weiteren Meßschrittes Werte der Periodendauer (t) und zumindest zwei Abtastwerte zu jeweils bekannten Zeitpunkten t, und t der mit Hilfe eines Glättungsfilters (Tiefpaß) aus dem gleichgerichteten aufgenommenen Signal gebildeten Hüllkurve, gegebenenfalls unter Berücksichtigung System- und funktionsbedingter Wartezeiten, aufgenommen werden und aus diesen Werten und dem Wert der Periodendauer (T) Werte der Dämpfungskonstante f berechnet oder falls notwendig durch Iteration bestimmt werden, wobei die Kreisfrequenz (ωο), insbesondere für das System-Modell 2.0rdnung (Fig. 6), gegebenenfalls in weiterer Folge Zwischenwerte (AR und AL), und aus denen Werte der Gegeninduktivität (M02) zwischen der Sende- (4) und der Empfangsspule (8) eines Zweischleifenmeßgerätes bzw. der Koppelfaktor zwischen der Sendespule (4) und der magnetfeldsensitiven Signalaufnahmeeinheit und/oder Signalanteile, die durch die elektrischen und magnetischen Eigenschaften des Mediums (1) verursacht werden, berechnet werden, wobei die Berechnung der Gegeninduktivität (M02) bzw. des Koppeifaktors und/oder der Signalanteile gegebenenfalls direkt, d.h. ohne explizite Berechnung von Werten der Zwischengrößen ({,<*),AR,AL,x0, und ur0) aus dem Verhältnis der beiden abgetasteten Werte der Hüllkurve (U(ti) und U(t2) und dem Wert der Periodendauer erfolgen kann, wenn die Zwischenschritte implizit in den Bestimmungsgleichungen berücksichtigt werden, und daß die Berechnung anhand von Formeln oder durch Interpolation aus vorausberechneten und gespeicherten Werten der Formeln und/oder durch Interpolation aus aufgenommenen und gespeicherten Werten von Kalibrierkurven durch Interpolation in einer Recheneinheit erfolgt.
8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der im Zuge des weiteren Meßschrittes ermittelte bzw. berechnete Wert der Gegeninduktivität (M02) bzw. des Koppelfaktors und/oder die erfaßten bzw. berechneten Signalanteile unter Berücksichtigung separat ermittelter und/oder extern eingegebener Zusatzinformationen, wie z.B. Temperatur, Informationen über die geometrische Form des zu untersuchenden Mediums (Halbraum, Raum) od.dgl., korrigiert werden.
9. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Meßschritte abwechselnd vorgenommen werden.
10. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Dämpfungswiderstand (Ro) der zur abklingenden Schwingung angeregten Spule, insbesondere der das Empfangssignal aufnehmenden Empfangsspule, zur Durchführung des weiteren Meßschrittes erhöht wird, vorzugsweise auf einen Wert erhöht wird, der zumindest dem 1,5-fachen, insbesondere dem 2 bis 10000-fachen, Wert des Dämpfungswiderstandes (R0) der Spule im Meßschritt zur Aufnahme des Empfangssignales mit geringem Dämpfungswiderstand entspricht.
11. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Ausschwingens des abklingenden Signales durch Einstellung der Kapazität und/oder Induktivität und/oder Widerstandes der Spule (8) zwischen 1 KHz und die Spuleneigenfreuquenz eingestelt wird.
12. 12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Empfangsspulen unterschiedlicher Eigenfrequenz mit demselben Magnetpuls zu abklingenden Schwingungen unterschiedlicher Frequenz angeregt werden und die einzelnen abklingenden Signale für unterschiedliche Frequenzen getrennt ausgewertet werden.
13. 13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet daß die Kapazität an den Anschlüssen der Empfangsspule (8) in zeitlichen Abständen verändert wird und die zeitlich nacheinander abklingenden Signale unterschiedlicher Frequenz getrennt ausgewertet werden.
14. 14. Vorrichtung zur Untersuchung eines im wesentlichen abschnittsweise bzw. relativ homogenen Mediums (1) mit einer elektrischen Leitfähigkeit (*0) sowie einer relativen magnetischen Permeabilität (ur0) auf das Vorhandensein von Bereichen (2) unterschiedlicher, insbesondere erhöhter elektrischer Leitfähigkeit (xi) und/oder Permeabilität (ur,), wobei im Pulstechnikverfahren arbeitend in einem Meßschritt mit einer Sendespule ein Magnetfeldpuls in das Medium (1) einbringbar ist und die Änderung des Magnetfeldes der durch den Magnetfeldpuls im Medium (1) induzierten Ströme in einer magnetfeldsensitiven Signalaufnahmeeinheit, vorzugsweise in einer geringen Dämpfungswiderstand (RD),vorzugsweise eine Dämpfungskonstante ( zwischen 0,7 und 1, aufweisenden Empfangsspule, als Empfangssignal aufgenommen und dieses Empfangssignal zumindest teilweise einer Auswertung in einer Auswerteein- 20 AT 404 408 B heit zugeführt ist, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daG zur Durchführung eines weiteren Meßschrittes die vorhandene Sendespule oder eine in der Signalaufnahmeeinrichtung vorhandene Empfangsspule auf hohen Dämpfungswiderstand R0, vorzugsweise auf eine Dämpfungskonstante I zwischen 0,08 und 0,6, umschaltbar ist oder daß eine eigene, auf hohen Dämpfungswiderstand (Rd), vorzugsweiseauf eine Dämpfungskonstante ( zwischen 0,08 und 0,6, umschaltbare Spule vorgesehen ist, welche Spule jeweils zu einer abklingenden Schwingung anregbar sind, wobei das abklingende oszillierende Magnetfeld dieser Spulen mit dem zu untersuchenden Medium (1) in Wechselwirkung steht, so daß die elektrischen Parameter des Mediums (1) das oszillierende Magnetfeld der Spule beeinflussen, daß die jeweilige Spule an eine Empfangseinrichtung zur Abnahme eines der Spulenspannung und/oder dem Spulenstrom und/oder einer mit einer dieser Größen zusammenhängenden elektromagnetischen Größe entsprechenden Signaies angeschlossen ist, daß in einer in der Auswerteeinheit vorgesehene Recheneinheit aus diesem abgenommenen Signal in mathematisch und physikalisch eindeutigen Weise die elektrischen Parameter *0 ur0 des Mediums (1) und somit die durch die Parameter x„ Uro verursachten Signalanteile im Empfangssignal der Signalaufnahmeeinheit und gegebenenfalls auch vorhandene Koppelanteile ermittelbar sind, und daß mit diesen ermittelten Signalanteilen und/oder mit Hilfe der beiden Kenngrößen Gegeninduktivität bzw. Koppelfaktor das Empfangssignal der Signalaufnahmeeinheit bzw. der zur Auswertung herangezogene Teil des Empfangssignales korrigierbar ist.
15. 15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausbildung einer abklingenden Schwingung in der jeweiligen anzuregenden Spule eine Einrichtung zur Ausbildung einer Selbstinduktion, z. B. in Form einer Schalteinrichtung zur Veränderung, insbesondere Unterbrechung, eines in der Spule ausgebildeten Stromflusses, vorgesehen ist, oder daß die jeweilige anzuregende Spule magnetisch an eine Spule mit einer Einrichtung zur Ausbildung einer Selbstinduktion, z. B. mittels einer Schalteinrichtung zur Unterbrechung eines in der Spule ausgebildeten Stromflusses, angekoppelt ist, und solcherart induktiv zu einer abklingenden Schwingung anregbar ist, oder daß die jeweilige anzuregende Spule Teil eines Oszillator (-Vierpoles) ist oder an einen solchen Oszillator (-Vierpol) anschließbar ist, von diesem aber in jedem Fall (beiden Fällen) zu vorgegebenen Zeiten abtrennbar ist. womit in weiterer Folge eine abklingende Schwingung in der Spule entsteht.
16. 16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufnahme der abklingenden Schwingung im weiteren Meßschritt eine Spule mit einem veränderlichen Dämpfungswiderstand (R0) vorgesehen ist oder daß an die Spule eine Einrichtung zur Veränderung, d.h. zur Erhöhung und/oder Verringerung, ihres Dämpfungswiderstandes (RD) vorzugsweise eine Umschalteinrichtung (27), z.B. ein elektronischer Schalter angeschlossen ist, und daß mit der Steuereinheit dieser Dämpfungswiderstand (Rd) auf den gewünschten Wert während des jeweiligen Meßschrittes einstellbar ist, wobei gegebenenfalls die Umschaltung des Dämpfungswiderstandes (R0) der Empfangsspule (8) kurz vor bzw. zum Zeitpunkt des Abtrennens oder Abschaltens der Spannungsquelle (5) von der sendenden Spule erfolgt.
17. 17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der zur abklingenden Schwingung angeregten Spule bzw. dem Umschalter (27) eine Signaldämpfungseinheit (28) nachgeschaltet ist, die entweder einen linearen oder nichtlinearen, gegebenenfalls vom Signal-und/oder Mikroprozessor (26) gesteuerten Spannungsteiler oder ein zeitlich nicht kontinuierlich arbeitendes, vom Signal- und/oder Mikroprozessor (26) gesteuertes lineares Netzwerk, z.B. ein zu bestimmten Zeiten als Integrator arbeitendes RC-Glied, enthält.
18. 18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der zur abklingenden Schwingung angeregten Spule eine Einheit (30) zur Erfassung von Extremwerten (A1, A2.......) in dem ausschwingenden Signal nachgeschaltet ist, welche Einheit vorteilhafterweise Spitzenwertdetektoren aufweist, die von der Steuereinheit (26) gesteuert sind.
19. 19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der zur abklingenden Schwingung angeregten Spule eine Einrichtung (29) zur Erfassung der Nullpunktdurchgänge des ausschwingenden Signaies nachgeschaltet ist, wobei die Einrichtung (29) vorteilhafterweise von einem Signalumformer in Form eines nichtlinearen Netzwerkes und einem Komperator gebildet ist., wobei 21 AT 404 408 B gegebenenfalls an die Einrichtung (29) eine Einrichtung (31 zur Zeitmessung angeschlossen ist.
20. 20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Vorrichtung mit separater Empfangsspule (8) (Zweischleifengerät) zur Gewinnung eines der Änderung des Sendespulenstromes (l0) und der Gegeninduktivität (M02) proportionalen (Spannungs)Signales an die Sendespule (4) eine Ausgleichseinrichtung (12) angeschlossen ist, die gegebenenfalls einen Übertrager und ein im wesentlichen als steuerbarer Spannungsteiler ausgebiidetes Widerstandsnetzwerk enthält, oder daß bei einer Vorrichtung mit einer magnetfeldempfindlichen Signalaufnahmeeinheit anstelle der Empfangsspule (8) zur Gewinnung eines dem Sendespulenstrom (l0) und dem Koppelfaktor zwischen Sendespule und Signalaufnahmeeinheit proportionalen (Spannungs)Signales an die Sendespule (4) eine Ausgleichseinrichtung (12) angeschlossen ist, die gegebenenfalls ein Netzwerk aus passiven Bauelementen und Verstärkern enthält.
21. 21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgleichseinrichtung (12) eine gegebenenfalls von der Steuereinheit (26) gesteuerte Einheit (40) nachgeschaltet ist, die gegebenenfalls den Frequenzgang der Ausgleichseinrichtung (12) dem Frequenzgang der Gegeninduktivität (M02) oder des Koppelfaktors angleicht.
22. 22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß eine Signalverknüp-fungseinheit (34) vorgesehen ist, der neben dem Signal der zum Empfang vorgesehenen Spule gegebenenfalls die Signale der Ausgfeichseinrichtung (12,40) sowie der Einrichtung (33) zugeführt sind.
23. 23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit (26) einen Speicher für Kalibriertabellen bzw. für die Zusammenhänge zwischen L und R, bzw. x und μ. und/oder eine Recheneinheit zur Durchführung von Iterationsverfahren umfaßt.
24. 24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Einschleifenmeßgerät die Spule von einem geringen Dämpfungswiderstand während der Aufnahme von Empfangssignalen auf einen hohen Dämpfungswiderstand zur Ausbildung der abklingenden Schwingung während des weiteren Meßschrittes umschaltbar ist oder daß bei einem Einschleifengerät mit dem ausgesandten Magnetfeldpuls die aussendende Spule selbst oder daß bei einem Zweischleifengerät die aussendende Spule selbst oder die jeweils andere angekoppelte Spule zu der abklingenden Schwingung anregbar ist.
25. 25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß der zur abklingenden Schwingung angeregten Spule, gegebenenfalls der Einheit (28), eine Einrichtung (41) zur Gleichrichtung des ausschwingenden Signales von Spulenspannung und/oder -ström nachgeschaltet ist, wobei die Gleichrichtung gegebenenfalls durch ein passives nicht gesteuertes Diodennetzwerk in Form einer Halb oder Vollwellengleichrichtung oder durch einen gesteuerten Gleichrichter (Synchrondemodulator) erfolgt.
26. 26. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet daß die Steuersignale für die gesteuerte Gleichrichtung (Synchrondemodulator) von der Einheit (29) aus dem ausschwingenden Signal von Spulenspannung und/oder -ström abgeleitet bzw. gebildet und der Einheit (41) zugeführt sind.
27. 27. Vorrichtung nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet daß der Einrichtung (41) eine Einrichtung (42) zur Bildung der Hüllkurve des in der Einrichtung (41) gleichgerichteten Signales von Spulenspannung und/oder-strom nachgeschaltet ist, wobei die Einrichtung (42) vorzugsweise ein Tiefpaßfilter umfaßt. Hiezu 6 Blatt Zeichnungen 22