CH660799A5 - Device for identifying conductive objects - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Identifizierung von leitfähigen Gegenständen, sowie ein Verfahren zum Betrieb der Einrichtung.

Einrichtungen zur Identifizierung von leitfähigen, insbesondere metallischen Körpern sind seit mehr als 30 Jahren bekannt und in vielfältigen Formen verbreitet ; sie eignen sich insbesondere zur Bestimmung des Vorhandenseins von metallischen Teilen. Einrichtungen dieser Art haben ein weites Anwendungsfeld und sind in neuerer Zeit in grossem Umfang zur Aufspürung von versteckten Waffen eingesetzt worden. Die bekannten Einrichtungen sind jedoch, soweit sie zur Aufspürung von Waffen verwendet werden, nicht in der Lage, zwischen unterschiedlichen Typen von metallischen Gegenständen rasch und zuverlässig zu unterscheiden.

Bei den bekannten Einrichtungen wird eine Induktionsspule verwendet, der ein Oszillatorsignal zugeführt wird. Die Überprüfung und Anzeige war nur allgemein auf die Bestimmung beschränkt, ob ein metallischer Gegenstand innerhalb des überprüften Bereiches vorliegt, ohne dass der Prüfvorgang besonders präzis durchgeführt werden konnte. Vor allem konnte nur schematisch zwischen Gegenständen mit leitender Eigenschaft aber unterschiedlichen Typs unterschieden werden, so dass vor allem bei der Personenüberprüfung an Flughäfen permanent ein Problem wegen Fehlanzeige mit nachfolgender lästiger Körperuntersuchung gegeben war.

Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zu schaffen, mit dem sich bestimmte Gegenstände mit leitenden Eigenschaften wesentlich genauer und wiederholt reproduzierbar unterscheiden lassen.

Die erfindungsgemässe Einrichtung zur Identifizierung von leitfähigen Gegenständen weist die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale auf.

Das Verfahren zum Betrieb der Einrichtung ist ebenfalls in Patentansprüchen gekennzeichnet.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind u.a. in der nachfolgenden Beschreibung dargestellt und in abhängigen Ansprüchen wiedergegeben.

Mit der erfindungsgemässen Einrichtung und dem Verfahren zu ihrem Betrieb ist es möglich, eine sehr genaue Information über die Art eines leitfähigen Gegenstandes zu erhalten, das in das Feld einer Magnetspule gelangt. Insbesondere lässt sich eine Information für die verschiedenen metallischen Komponenten gewinnen, wenn mehr als ein bestimmter Metallbestandteil vorliegt. Damit ist es rasch und zuverlässig möglich, unterschiedliche Arten metallischer Gegenstände zu unterscheiden, um Fehlalarme bei den unterschiedlichsten Prüf- und Überwachungsproblemen wesentlich besser zu vermeiden, als dies bisher möglich war.

Die erfindungsgemässe Einrichtung zeichnet sich durch eine überragende reproduzierbar darstellbare Genauigkeit aus und kann eine Anwendung in den unterschiedlichsten Bereichen finden, etwa bei der Metallklassifizierung, bei der Nähme von Proben, bei der Prüfung von leitfähigen Lösungen; zur Prüfung von tierischem Gewebe u.dgl.. bei der Etikettierung, Sortierung usw.

In dem speziell erwähnten Anwendungsbereich bei der Personenkontrolle eignet sich die Erfindung deshalb besonders, weil zwischen unterschiedlichen Metallarten sehr genau unterschieden werden kann, so dass in Verbindung mit einer automatischen Einrichtung Handfeuerwaffen unterschiedlichen Typs rasch ermittelt und festgestellt werden können.

Es wird die Entdeckung ausgenützt, dass eine vorher abgeglichene Spulenanordnung nach dem Einbringen eines leitfähigen oder metallischen Körpers die reine Widerstandskomponente seiner in der Spulenanordnung stattfindenden I mpe-danzänderung aufgrund von Winkelstromverlusten AR einen Wert ergibt, der sich wenn geteilt durch die zugeführte Frequenz

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- mit der Frequenz verändert und einen Spitzenwert bei einem einzigen darauf charakteristischen Frequenzwert zeigt. Dieser Frequenzwert ist proportional zum Querschnitt des Gegenstandes in einer Ebene quer zur Spule. Zusätzlich wurde ermittelt, dass die charakteristische Frequenz, d.h. jene Frequenz, die beim Maximalwert von

AR f auftritt, proportional ist zum spezifischen Widerstand des Gegenstandes geteilt durch dessen Querschnittsfläche.

Diese Ergebnisse lassen sich jedoch nur dann gewinnen, wenn die Messungen sehr genau durchgeführt und weitgehend alle Störeffekte oder Fremdeinflüsse aufgrund der verschiedenen Bestandteile der Einrichtung, etwa des Frequenzgenerators, der Spule und Detektorschaltkreise berücksichtigt werden. Um ein wahres Bild für den Einfluss der Probe oder des überprüften Gegenstandes zu erhalten, muss dann lediglich die Änderung der reinen Widerstandskomponente in der Spulenanordnung betrachtet werden.

Die Änderung der reinen Widerstandskomponente lässt sich nur dann mit ausreichender Genauigkeit feststellen, wenn der Phasenunterschied zwischen dem Ausgangsignal und dem der Eingangsspule zugeführten Eingangssignal weniger als ein Grad beträgt. Wenn diese Phasenbeziehung, die nachfolgend als «0o-Phasenverschiebung» bezeichnet wird, nicht eingehalten wird, kann die für die bevorzugten Anwendungsbereiche der Erfindung erwünschte und geforderte Genauigkeit nicht erzielt werden.

In bevorzugter Ausführungsform enthält die Erfindung eine zuvor abgeglichene stabile Spulenprüfanordnung, mit der sich die Art eines leitfähigen Gegenstandes, seine Eigenschaften und - soweit aus Metall - seine Gestalt und seine Querschnittsfläche messen lassen durch Ermittlung des Betrags der Abweichung, d.h. der Unsymmetrie einer Abgleichspannungbei verschiedenen Frequenzen. Die reine Widerstandskomponente wird dabei sehr genau gemessen und zeigt lediglich den Spannungsverlust aufgrund von Winkelströmen beim Einbringen des Gegenstands oder der Probe in die Spulenanordnung an. Wird diese Spannung - geteilt durch die für die einzelnen Messpunkte massgebliche Frequenz - als Kurve aufgetragen, so zeigen sich für charakteristische Frequenzen Spitzenwerte in Abhängigkeit von der Art des eingebrachten leitfähigen Gegenstandes. Für einen metallischen Gegenstand ist diese charakteristische Frequenz proportional zum spezifischen Widerstand des Gegenstandes geteilt durch dessen Querschnittsfläche.

Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten werden nachfolgend unter Bezug auf die Zeichnung in beispielsweisen Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen :

Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsge-mässen Einrichtung;

Fig. 2 eine graphische Darstellung des Signals in der Sekundärspule zur Verdeutlichung der Veränderung, d.h. der Verschiebung, die auftritt, wenn ein metallischer Gegenstand zwischen die Spulen bei der Anordnung nach Fig. 1 eingebracht wird;

Fig. 3 das Vektor-Diagramm des Spannungsamplitudenvektors, aus dem sich die Widerstandskomponente ablesen lässt;

Fig. 4 in graphischer Darstellung den Verlauf des Verhältnisses Widerstandskomponente durch jeweilige Frequenz, in

Funktion über der Frequenz für einen metallischen Gegenstand;

Fig. 5 die graphische Darstellung des Verhältnisses der Spitzenwerte der Widerstandskomponente durch den zugeordneten charakteristischen Frequenzwert, in Funktion des Reziproken der charakteristischen Frequenz, woraus sich die lineare Abhängigkeit der Spitzenwerte von der Querschnittsfläche und der Querschnittsgeometrie des metallischen Gegenstandes ablesen lässt;

Fig. 6 eine der Darstellung von Fig. 5 ähnliche Kurvenschar, aus der sich die lineare Abhängigkeit der Spitzenwerte bei unterschiedlichen Arten von metallischen Gegenständen erkennen lässt;

Fig. 7 eine der Darstellung von Fig. 4 ähnliche Kurvenschar zur Verdeutlichung insbesondere des Verlaufs der Spitzenwerte, wenn mehrere Metallstücke in die Messpule eingesetzt werden;

Fig. 8 eine zweite Ausführungsform einer Einrichtung bei welcher eine Abgleichs-Brückenschaltung verwendet wird ;

Fig. 9 eine dritte Ausführungsform einer erfindungsge-mässen Einrichtung mit einem abgeglichenen Sekundärkreis mit unterteilter Spulenanordnung;

Fig. 10 den Verlauf des Verhältnisses Widerstandskomponente durch Frequenz, in Funktion der Frequenz, woraus sich eine charakteristische Kennlinie für einen Smith-and-Wesson-Revolver aus nichtrostendem Stahl ablesen lässt;

Fig. 11 den Verlauf des Verhältnisses Widerstandskomponente durch Frequenz, in Funktion der Frequenz für einen Titan-25-Revolver;

Fig. 12 das Blockschaltbild einer erfindungsgemässen Einrichtung, bei der ein Minicomputer verwendet wird, zum raschen Vergleich der im Prüfvorgang festgestellten Kennlinie mit Kennlinien von bekannten Gegenständen;

Fig. 13 das Blockschaltbild der Software-Elemente für die Einrichtung der Fig. 12 und

Fig. 14 das Blockschaltbild einer Einrichtung für phasenempfindliche Abtastung, bei dem analoge Schaltkreise in Verbindung mit integrierten logischen Digitalbausteinen verwendet sind.

Die in Fig. 1 allgemein mit 10 bezeichnete Einrichtung umfasst eine Wechselstromsignalquelle 12, die ein Signal an eine als Primärspule wirkende Eingangsspule 14 abgibt. Eine Sekundärspule 16 ist an einen Phasendetektor 18 angeschlossen, der im Signal der Sekundärspule 16 auftretende Veränderungen erfasst, wenn ein metallischer Gegenstand 20 in das Magnetfeld eingebracht wird, das in der Zeichnung schematisch zwischen der Primärspule 14 und der Sekundärspule 16 angeordnet ist. Der Spulendurchmesser kann prinzipiell beliebig gewählt sein von beispielsweise ca. 30 cm ( 12" ) für kleinere Proben bis zu mannshohem Durchmesser von beispielsweise 1,8 m (6'). Der Gegenstand 20 kann entweder in die Spule eingebracht werden, um ein maximales Ansprechen zu erzielen, oder ausserhalb, jedoch in die unmittelbare Nähe der Spule, solange es im Wirkungsbereich des erzeugten Magnetfelds sich befindet.

Durch Versuche wurde gefunden, dass für Gegenstände, die Metalle enthalten oder aus Metallen bestehen, Frequenzbereiche von etwa 100 bis zu 10 000 Hertz geeignet sind.

Steigt die Frequenz jedoch in den Bereich von 1 bis 10 Megahertz an, so lassen sich gute Prüfergebnisse für Proben oder Gegenstände erhalten, die leichtfähige Eigenschaften aufweisen, wie etwa metallpulverhaltige Explosivstoffe, tierische Gewebe, wässrige Lösungen, Ionen enthaltende Lösungen und Suspensionen. Das Vektor-Diagramm der Fig. 3 zeigt die Situation, wenn ein in Fig. 1 mit Bezugshinweis 20 bezeichneter Metallgegenstand in das Feld zwischen der Primärspule 14 und der Sekundärspule 16 eingebracht wird. Der s

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Amplitudenvektor A ist mit 32 bezeichnet.

Dieser Vektor weist gegen die 0°-Phasenlinie einen Winkel von 34° auf, der dem Betrag der Verschiebung, der in Fig. 2 in der unteren graphischen Darstellung mit Bezugshinweis 30 angegeben ist, entspricht. Der im Zusammenhang mit der Erfindung interessante Wert ist die Widerstandskomponente AR, die mit Bezugshinweis 36 angegeben ist und entlang der 0°-Phasenlinie verläuft. Dieser Wert entspricht dem durch den Phasendetektor 18 erfassten Auslesebetrag, der einer der für das Grundprinzip der Erfindung wesentlichen Werte ist. Mit diesem Wert ist es möglich, den Spitzenwert des Winkelstromverlustes zu ermitteln, und zwar durch Auftragen des Verhältnisses Widerstandskomponente durch Frequenz, in Funktion der Frequenz. Dies ist in Fig. 4 für eine Metall-probe mit drei unterschiedlichen Querschnittsbereichen dargestellt. Die grössere Probe A wird durch die Kurve 38 mit einem bei 40 liegenden Spitzenwert wiedergegeben. Der Kurvenverlauf zeigt deutlich einen Spitzenwert bei einer bestimmten, durch die gestrichelte Linie 42 markierten Frequenz, die im folgenden als charakteristische «Frequenz» bezeichnet wird. Aus dieser Kurvendarstellung lässt sich der Wert der charakteristischen Frequenz und der Wert des Verhältnisses Widerstandskomponente durch Frequenz auffinden.

Die Probe B weist einen kleineren Querschnitt auf als die Probe A ; sie besteht jedoch aus dem gleichen Material. Der Verlauf der Messkurve 44 zeigt einen Spitzenwert bei 46, dessen Amplitude niedriger liegt als die bei der grösseren Probe A. Die Linie 48 lässt erkennen, dass die charakteristische Frequenz für diese kleinere Probe höher liegt als bei der grösseren Probe A.

Ähnliches lässt sich für eine Probe C sagen, die wiederum aus dem gleichen Metall besteht wie die Proben A und B, jedoch abermals eine kleinere Querschnittsfläche aufweist als die Probe B. Die Kurve 50 für die Probe C zeigt einen flacheren Verlauf mit einem Spitzenwert 52 mit beträchtlich kleinerer Amplitude als die der beiden anderen Proben. Die Linie 54 zeigt, dass auch die charakteristische Frequenz beträchtlich höher liegt.

Es sei bemerkt, dass die Spitzenwerte für alle drei Proben wie in Fig. 4 dargestellt, zueinander in einer Beziehung stehen, was sich aus der Fig. 5 bei Verwendung des Reziprokwerts der charakteristischen Frequenz ersehen lässt. Hinsichtlich der charakteristischen Frequenzwerte liegen alle drei Proben auf einer geraden Linie 58. Die auf der Ordinate aufgetragene Amplitude gibt das Verhältnis Widerstandskomponente durch jeweilige charakteristische Frequenz, während auf der Abszisse das Reziproke der charakteristischen Frequenzwerte aufgetragen ist.

Die charakteristischen Frequenzwerte für die Proben A, B und C sind durch Bezugshinweise 58,60 und 62 markiert. Die gestrichelte Linie 64 entspricht einem geometrischen Faktor. Es wurde gefunden, dass die Neigung dieser Linie mit Änderungen des Querschnitts geringfügig variiert. In dieser graphischen Darstellung zeigt die Linie 58 Ablesewerte, die von einem Prüfobjekt mit Rechteckquerschnitt gewonnen wurde. Die gestrichelte Linie 64 gibt die Neigungsänderung an, die für eine wesentliche Änderung in der Geometrie zu erwarten ist.

Es sei bemerkt, dass diese charakteristischen Frequenzwerte in Abhängigkeit von der Art des verwendeten Metalls beträchtlich variieren können, da der spezifische Metallwiderstand dabei eine Hauptrolle spielt. Dies lässt sich deutlich aus der Fig. 6 ablesen.

Die Fig. 6 ist jener von Fig. 5 ähnlich und zeigt die Ansprechkennwerte für unterschiedliche Metallproben. Es sei bemerkt, dass bei dieser Darstellung die Spulenabmessungen für die gegebenen Werte insoweit berücksichtigt werden, als die Spitzenwerte jeweils den durch die charakteristische Frequenz geteilten Wert der Widerstandskomponente einschliessen, als auch den Reziprokwert der Windungszahl der Eingangsspule und den Reziprokwert der magnetischen Induktion, ausgedrückt in Weber pro Quadratmeter

. Auf der Abszisse ist bei dieser Darstellung das Reziproke der charakteristischen Frequenz in Hunderstel Sekunden aufgetragen.

Die in der Fig. 6 erkennbaren Bänder für unterschiedliche Metallarten zeigen einen weiten Bereich von Neigungswerten. Der primäre Faktor zur Bestimmung der Neigung der Bänder ist der spezifische Widerstand des jeweiligen Metalls. Das Band 66 beispielsweise, das dem Linearbereich der charakteristischen Frequenzwerte für nichtrostenden Stahl entspricht, lässt einen sehr hohen spezifischen Widerstand erkennen im Vergleich zu den besser leitenden Metallen wie etwa Kupfer und Aluminium. Das Band 68 zeigt den Bereich der charakteristischen Frequenzwerte für Stahl. Dieses Band als auch die übrigen in der Darstellung veranschaulichten Bänder verlaufen fächerartig vom Ursprung 70 aus. Der weite Bereich der Neigungen für jedes der Bänder stimmt mit dem entsprechenden relativ weiten Bereich der spezifischen Widerstandswerte für die Metalle der gewählten Beispiele überein. Die nachfolgende Tabelle für Metalle und ihren jeweiligen spezifischen Widerstand verdeutlicht dies:

Metalle Spezifischer Widerstand

(liQ-cm)

Kupfer 1,7

Aluminium 4,0

Messing 7,0

Stahl 10,0

nichtrostender Stahl 72,0

Die vergleichsweise geringfügig divergierenden Linien, die die Breiten jedes Bands bestimmen, etwa die Linien 72 und 74, reflektieren geringe Änderungen in der Neigung aufgrund der Querschnittsgeometrie der jeweils betrachteten Probe. Die charakteristischen Frequenzwerte für Messing, Aluminium und Kupfer werden durch die Bänder 76, 78 bzw. 80 veranschaulicht.

Hinsichtlich der Änderungen der Querschnittsgeometrie lässt sich die im Versuch verwendete Probe dahingehend charakterisieren, dass das geometrische Verhältnis G gleich ist dem Quadrat der Breite geteilt durch das Quadrat der Höhe der Probe, d.h., G = a2/b2. Dieser Faktor wird für die graphische Wiedergabe der Bänder für jedes Metall berücksichtigt, wobei die untere Linie einem quadratischen Block (G= 1) des Probenkörpers entspricht, während die obere Linie auf einen rechteckförmigen Block bezogen ist, dessen Breite dem Zweifachen der Höhe entspricht (G=4).

Betrachtet man beispielsweise das Aluminiumband 78 (vgl. Fig. 6), so enthält die untere Linie den Punkt 82, auf dem eine quadratische Aluminiumprobe mit etwa 2,54 cm Kantenlänge liegt (G = 1 ). Der reziproke charakteristische Frequenzwert liegt bei etwa 0,58 Hundertstel einer Sekunde, während dieAmplitude der Widerstandskomponente,

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bei einem Wert kurz unterhalb von 7,5 zu finden ist.

Entsprechend liegt der Punkt 84 auf einer Linie, die die obere Grenze (G=4) des Aluminiumbands 78 definiert. Dies wäre also der Punkt eines Auslesewerts für einen Aluminiumkörper mit 2,54x2,54 cm Querschnittsfläche und einer doppelt so grossen Breite wie Höhe. Der Punkt 84 weist einen geringfügig höheren Amplitudenwert und einen geringfügigniedrigeren Zeitwert für die reziproke Frequenz auf. Experimentell ermittelte Daten mit Blöcken gleicher Querschnittsabmessungen für andere Metalle ergaben Werte für sämtliche dieser Metalle, deren Amplitude bei Proben mit 2,54x2,54 cm Querschnittsfläche etwa jenen der Punkte 82 und 84 insbesondere im Bereich eines Werts von etwa 7,5 entsprachen. Beispielsweise läge die Amplitude einer quadratischen Kupferprobe mit einer Querschnittsfläche von 2,54x2,54 cm bei 7,5 und der Wert der reziproken charakteristischen Frequenz bei 1,4 Hundertstel Sekunden.

Obgleich ersichtlich ist, dass Änderungen in der Querschnittsgeometrie nur einen geringfügigen Einfluss auf die Neigung der Geraden erkennen lassen, kann doch gesagt werden, dass Änderungen im Querschnitt zwar die Neigung nicht beeinflussen, wohl aber in grossem Masse sowohl die Amplitude als auch die reziproken Frequenzwerte. Letztere ändern sich jedoch proportional und fallen auf die Linie G= 1 für jedes Band, wo die Versuchsproben quadratisch sind. Für eine quadratische Probe mit einer quadratischen Querschnittsfläche von 1,27 x 1,27 cm liegt der charakteristische Frequenzpunkt etwa auf der Hälfte zwischen dem Ursprung 70 und dem Punkt 84. Für ein quadratisches Prüfobjekt aus Aluminium mit einer Querschnittsfläche von ca. 5x5 cm liegen die charakteristischen Frequenzwerte auf der Linie G = 1 bei einem Punkt auf doppelter Distanz des Punktes 82 vom Ursprung70.

Um die Fig. 6 zur Bestimmung des spezifischenWider-stands und der Querschnittsfläche eines unbekannten Gegenstandes zu benutzen, werden die Werte für die Amplitude und die reziproke charakteristische Frequenz von einer Geraden in Fig. 4 ermittelt. Erreicht das Reziproke der charakteristischen Frequenz einen Wert von 0,45 Hundertstel Sekunden, so ergibt sich damit die vertikale Bezugslinie

86. Der Amplitudenwert (— • —)

fP NBo beträgt 6,5x IO-4, d.h., es wird die horizontale Bezugslinie 88 festgelegt. Die Überschneidung dieser beiden Linien bei 90 deutet an, dass der in der Spulenanordnung befindliche unbekannte Gegenstand aus Aluminium besteht und eine Querschnittsfläche von etwas weniger als 2,45 x 2,45 cm aufweist.

Aus der Art, in welcher die einzelnen Bänder voneinander getrennt sind, ist es möglich, aufgrund der Widerstandskomponenten und der Reziprokwerte der charakteristischen Frequenz, rasch die Metallart zu bestimmen, selbst wenn beträchtliche Unterschiede in der Querschnittsform vorliegen.

Die bisherige Betrachtung ging von einem einzigen Metallgegenstand aus. In den meisten Prüfsituationen jedoch sind mehrere unterschiedliche Gegenstände, beispielsweise mit mehreren unterschiedlichen Metallkomponenten festzustellen. In diesem Fall erzeugt jedes der unterschiedlichen Metalle sein eigenes Spitzen-Signal. Bei der Darstellung der Fig. 7 beispielsweise wurden drei Teile durch die Einrichtung abgetastet. Das Teil 1 erzeugt die Kurve 92, Teil 2 erzeugt die Kurve 94 und Teil 3 führt zur Kurve 96. Die resultierende Einhüllende führt zu einer einzigen Spur mit drei mehr oder weniger ausgeprägten Maxima, die der jeweiligen charakteristischen Frequenz entsprechen und Amplitudenwerten für jedes Teil oder jede Metallkomponente. Es sei angenommen, dass jedes dieser Teile aus einem unterschiedlichen Metall s bestehe und alle Teile verschiedene Querschnitte àufweisen. Die auf Änderungen in der Widerstandskomponente ansprechende Einrichtung ist ausreichend empfindlich, um die Spitzenwerte für die verschiedenen Metallteile bei der Zuführung unterschiedlicher Frequenzwerte festzustellen, io Die Fig. 8 zeigt als Beispiel eine für diese Art der Messung geeignete Einrichtung in Brückenschaltung. Die Abgleichs-Brückenanordnung ist gegenüber der Einrichtung nach Fig. 1 zu bevorzugen, da es sich rascher und leichter abgleichen lässt und weniger Störeinflüssen auf das Messergebnis unter-ls liegt. Der die Brücke speisende Signalfrequenzgenerator 98 ist an einem Ende der Prüfspule 100 und am entsprechenden Ende der Abgleichspule 102 angeschlossen. Die Spulen haben ähnliche Kennwerte. Ein Widerstand 104 bildet den anderen Zweig der Brücke, während ein veränderbarer 20 Widerstand 106, der im allgemeinen auf den Wert des Widerstands 104 angepasst ist, den letzten Zweig der Brücke bildet. Der Phasendetektor 108 ist einerseits an den Verbindungspunkt zwischen den Spulen 100 und 102 und andererseits an den Verbindungspunkt zwischen den beiden Widerständen 25 104 und 106 angeschlossen. Die Anzeige des Phasendetektors unterstützt bei der Einstellung des veränderbaren Widerstands 106, um vor dem Einbringen des Testgegenstandes 110 den Abgleich der Brücke einzustellen. Wird der Testgegenstand 110 in das die Spule 100 umgebende Feld eingebracht, 30 so bringt der jetzt fliessende Strom die Brücke aus dem Gleichgewicht und der Phasendetektor ermittelt einen Wert der Widerstandskomponente, der auf das Signal der Spule 100 bezogen werden muss.

Die Fig. 9 zeigt eine andere Ausführungsform einer pha-35 senempfindlichen Einrichtung die sich als sehr zufriedenstellend erwiesen hat. Der Signalfrequenzgenerator 112 speist die beiden Enden der Eingangsspule 114. Die Sekundärspulen 116 und 118 mit gleichem Wert sind an ihren jeweils unteren Enden miteinander verbunden. Ein Festwiderstand 40 120 verbindet das obere Ende der Spule 118 mit einem veränderbaren Abgleichwiderstand 122, dessen anderer Anschluss mit dem oberen Ende der Spule 116 verbunden ist. Ein Phasendetektor 124 liegt zwischen dem Verbinungs-punkt der Spulen 116, 118 und dem Verbindungspunkt zwi-45 sehen den Widerständen 120, 122. Der metallische Gegenstand 126 wird zwischen die Eingangsspule 114 und die unterteilte Sekundärspulenanordnung, bestehend aus den Spulen 116 und 118 eingebracht. Diese Einrichtung zeigt eine maximale Empfindlichkeit und lässt sich leicht mittels des so veränderbaren Widerstands 122 abgleichen.

Die tatsächliche Kennlinie für einen komplexen Gegenstand, beispielsweise eine Handfeuerwaffe, zeigen die Fig. 10 und 11. Fig. 10 zeigt die Kennlinie S für einen Revolver aus nichtrostendem Stahl vomTyp Smith and Wesson, Kaliber 55 0,38. Auf der Ordinate ist das Verhältnis Widerstandskomponente durch Frequenz und auf der Abszisse sind die Frequenzwerte aufgetragen. Die Kennlinie lässteinen hohen Spitzenwert bei 128 erkennen, die dem Magazin des Revolvers entspricht sowie ein relatives Minimum bei 130. Um 60 diese Kennlinie zu erhalten, ist es notwendig, einige dreissig unterschiedliche Frequenzen über den 10 000-Hertz-Bereich einzuspeisen. Für Zwecke einer automatischen Analyse, wie sie bei Kurvenanalysen verwendet wird, wird zunächst eine gemittelte Hüllkurve gewonnen, wie sie durch die Kurven-65 linie 132 angedeutet ist. Diese Kurvenlinie würde dann analysiert und gegen eine Reihe von vorgespeicherten Kennlinien verglichen werden.

Fig. 11 zeigt die Kennlinie S für einen Revolver vom Typ

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Titan 0,25. Die Kennlinie lässt eine hohe ausgeprägte Spitze bei 134 sowie weitere Spitzenwerte bei 136 und 138 erkennen. Beide Kennlinien Fig. 10 und Fig. 11 unterscheiden sich deutlich und sehr stark. Die Spitzenwerte liegen bei unterschiedlichen Frequenzen und haben unterschiedliche Amplituden. M it prinzipiell bekanter Digital- oder anderer Vergleichstechnik ist es so möglich, diese beiden charakteristischen Kennlinien rasch voneinander zu unterscheiden. Die Kennlinien für andere Waffen und Gegenstände anderer Art sind in gleicher Weise unterscheidbar wie bei den beiden dargestellten Beispielen.

Für eine an einem Flughafen zu verwendende Einrichtung für die gelten muss, dass die durch den Spulenbereich hindurchtretenden Individuen viele unterschiedlichste Arten von metallischen Gegenständen bei sich führen können, ist es ebensogut möglich, rasch das Vorhandensein und den Typ einer mitgeführten Waffe zu ermitteln. Die verschiedenen Gegenstände summieren sich zu einer Gesamthüllkurve des Prüfsignals; trotzdem bleibt die charakteristische Kennlinie einer Handfeuerwaffe immer noch gut und leicht zu unterscheiden. I n den allermeisten Fällen ist das durch die Waffe erzeugte Signal das weitaus vorherrschende.

Die Fig. 12 zeigt identifizierung das Blockschaltbild der Hardware-Komponenten einer Waffen-Einrichtung. Eine Vielfachfrequenzquelle 140, die den Signalfrequenzgeneratoren bei den Schaltbildern nach den Fig. 1,8 und 9 entspricht, liefert ein Signal an eine hier mit 142 bezeichnete Abgleichs-Schaltung. Es ist ebenso möglich, eine Abgleichs-Schaltung zu verwenden, die eine Brücke mit einer Einzelspule enthält. Die Anordnung ist ähnlich wie bei jener von Fig. 8 mit der Ausnahme, dass anstelle der Spule 102, bei Fig. 8 ein Widerstandselement verwendet wird, und das veränderliche Widerstandselement 106 aus Fig. 8 enthält jetzt einen dazu parallel geschalteten veränderbaren Kondensator.

Die Vielfachfrequenzquelle in Fig. 12 gibt ausserdem eine Frequenz an eine Vielfachfrequenzteiler- und Steuereinheit 144. Der Frequenzbereich liegt von 100 bis 10000 Hertz und lässt sich innerhalb dieses Bereichs auf beispielsweise etwa 30 unterschiedliche Frequenzen festsetzen. Dieser Frequenzbereich liegt der Darstellung der Fig. 11 zugrunde und ist für praktisch alle vorkommenden Situationen, für die die Einrichtung bestimmt ist, mehr als ausreichend.

Der Vielfach-Phasendetektor 146 wird einerseits durch die Signale der Brücke gespeist und wird ausserdem durch einen Zeitgeber in der Steuereinheit 144 bestimmt. Das Ausgangssignal des Phasendetektors als auch das Ausgangssignal der Frequenzteiler- und Steuereinheit 144 gelangen auf einen Minicomputer 148. Typischerweise ist dies ein 16-Bit-Wort-Kleinrechner mit einem 8K-Speicher. Als Interface zum Computer dient ein Analog/Digital-Wandler, über den sie Signale des Phasendetektors in den Rechner gelangen. Die ' Kennwerte der Induktionsspulenelektronik bei leerer Spule als auch die Antwortgrössen für eine bekannte Widerstandsänderung werden im Speicher des Rechners gespeichert. Nach der Fig. 13 werden die Blocks 152 und 154 zur Kalli-brierung der Spulenelektronik und zur Erzeugung richtiger, auf eine 0°-Phasenkomponente bezogener Daten verwendet.

Der elektronische Rechner ist in der Lage, die eintreffenden digitalen Eingangssignale mit gespeicherten Kenndaten vieler Gegenstände zu vergleichen. Liegt eine Übereinstimmung zwischen den gespeicherten Signalen für eine Waffe oder einen anderen möglichen Gegenstand vor, der gesondert überprüft werden muss, so gibt der Rechner ein Signal an eine Alarmschaltung 150.

Anstelle der Anwendung von Analogtechnik im Bereich des Phasendetektors ist es möglich, ein ähnlich gutes oder besseres Ergebnis auf digitaler Ebene mit einer Fourier-Transformationstechnik zu erzielen, um die 0°-Komponente für jede Frequenz zu bestimmen. Dies erfordert den Austausch der einzelnen Einheiten von analogen Phasendetektoren für jede Frequenz durch einen Breitbandverstärker bei der Baugruppe 146 anstelle der Phasendetektoreinheiten. Dies in Verbindung mit einem genauen Zeitbasisgenerator als Taktgeber ermöglicht eine Fourier-Transformation. Die Daten werden in festen Zeitabständen überprüft und mittels Fourier-Transformationstechnik im Kleinrechner analysiert.

Fig. 13 verdeutlicht die grundlegenden logischen Schritte und Funktionen der Einrichtung nach der Fig. 12 bei Verwendung des Phasendetektors. Zu Beginn muss durch das mit Block 152 veranschaulichte Programm die Brücke kalibriert werden, gefolgt von dem mit Block 154 angegebenen Programm zur Phaseneinteilung.

Die 0°-Phasenwerte werden sodann, wie durch Block 156 angegeben, gespeichert und liefern die Werte der Widerstandskomponenten für die 0°-Phase und die charakteristischen Frequenzwerte.

Block 158 enthält die «bedrohlichen» kritischen Daten, die auf den Vergleichsblock 160 gelangen und dort mit den Eingangssignalen verglichen werden, die vom Spitzenwert-Sortierprogramm gem. Block 156 angeliefert werden. Der Vergleich erfolgt im Programmblock 160. Liegt eine Ubereinstimmung der «aktiven» Eingangsdaten mit den kritischen Daten vor, so wird ein Signal an den Alarmblock 162 abgegeben.

Die Fig. 14 zeigt Einzelheiten einerweiteren Ausführungsform der erfindungsgemässen Einrichtung.

Zur Erzeugung einer Standardfrequenz dient ein Kristalloszillator 164, derein einstellbares Frequenzteiler-Netzwerk 166 speist. Dessen Ausgangssignal gelangt auf eine Frequenzteilerkette 168 mit drei Ausgängen. Das Signal vom ersten Ausgang gelangt auf eine Steuereinheit 170 für die Teilerkette. Der zweite Ausgang ist an einen Rechteckwellenaddierer 172 angeschlossen und gelangt von dort auf eine Signalformschaltung 174 sowie auf eine Treiberschaltung 176. DerAusgang des Treibers 176 speist die Prüfspulenbrücke 178, deren Ausgangssignal wiederum durch die Pha-sendetektorbaugruppe 180 erfasst wird.

Für die Schaltkreise der Phasendetektorbaugruppe ist es möglich, standardisierte Analogschaltkreise zu verwenden, die sich leicht auf die Frequenzwahl- und Zwischenspeicherschaltkreise anpassen lassen, um die notwendige Aufbereitung der Daten für den Rechner über eine Interface-Einheit zu ermöglichen.

Als Frequenzteiler werden JK-Flip-Flops verwendet, die eine 0°-Phasenlage und 90°-Bezugsrechteckwe!len für in acht Oktaven übereinanderliegende Frequenzen gleichzeitig zur Verfügung stellen. Mit drei Originalfrequenzen, die aufeinanderfolgend durch den veränderbaren Teiler abgegeben werden, ist eine Wahl von 24 Frequenzwerten im Bereich zwischen 70 Hertz und 12,5 kHz möglich.

Die Rechteckwellen gelangen direkt auf die Bezugskanäle der Phasendetektoren und die in Phase liegenden Komponenten werden analog addiert, um eine zusammengesetzte Rechteckwelle zu erhalten, die acht diskrete Frequenzen enthält. Diese Rechteckwelle wird in einer Signalformschaltung integriert, und es ergibt sich eine zusammengesetzte Dreieckwelle. Die Hochfrequenzen werden im Addierer vorverstärkt, um die Dreieckamplitude für alle Frequenzen auf den gleichen Wert anzuheben. Über Operations-Leistungsver-stärker gelangt dieses Signal auf die Brücke und das Unsym-metriesignal wird verstärkt und hinsichtlich seiner Phasenlage abgetastet.

Ist eine feste Anzahl von Zyklen durchlaufen, so wird das Phasendetektorausgangssignal getastet und solang gespeichert, bis es vom elektronischen Rechner angenommen wird. Die Anfangsfrequenz wird jetzt geändert und der Vorgang

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wiederholt sich. Sind alle Frequenzen abgetastet worden, so beendet die Steuerung für die Teilerkette den Vorgang.

Im folgenden werden noch einige Hinweise auf die Betriebsweise der erfindungsgemässen Einrichtung gegeben :

Es wurde festgestellt, dass die Phasenbeziehungen bei der zuverlässigen Messung der Widerstandskomponente kritisch sind. Da die Messungen der Spannungs-Asymmetrie im Bereich von 10 bis 100 ji. liegen und dabei ein Gütefaktor in der Grössenordnung von 1:10 000, eine Rolle spielt, so müssen sämtliche Komponenten der Einrichtung äusserst betriebsstabil und genau sein, um eine Einstreuung von Phasenverschiebungen auszuschliessen, die es unmöglich machen würden, die 0°-Phasenbeziehung beizubehalten, die jedoch voraussetzungsgemäss erforderlich ist, um die reine Widerstandskomponente der Impedanzänderung in der Messspule zu ermitteln.

Die Spule selbst muss äusserst betriebsstabil sein und diese Stabilität muss mindestens in der Grössenordnung von 10-4 der Nennwerte liegen, vorzugsweise jedoch in der Grössenordnung von IO"5. Der Abstand zwischen benachbarten Windungen der Spule, die Temperaturstabilität des verwendeten Drahts und/oder Abschirmungen gegen Temperaturänderungen sowie Massnahmen, die eine auch nur geringfügige Verschiebung der Windungen aufgrund von Vibrationen aus-schliessen, sind wichtige Faktoren. Die Windungen in der Spule weisen vorzugsweise einen gegenseitigen Abstand von 1 bis 2 cm auf, um die gegenseitige kapazitive Beeinflussung zu vermindern. Die Spule sollte so weit wie möglich von allen Fremdeffekten freigehalten werden.

Die Oszillatorschaltung selbst muss extrem stabil sein, um Phasenverwerfungen oder -Verschiebungen aufgrund von Temperatureinflüssen, Vibration oder Instabilität der Bauelemente von vornherein auszuschliessen. Die Phasenveränderungen des Ausgangssignals sollten bei weniger als 1/10° gehalten werden, wenn Fourier-Analysetechnik angewendet wird und dürfen maximal 1/2° betragen, wenn Phasendetektoren eingesetzt werden.

Die Oszillatorelemente dürfen nur geringen thermischen Abweichungen unterliegen, d.h., ihre diesbezüglichen Kennwerte dürfen im Betriebszustand nur im Bereich von 1 Promille Abweichungen zeigen, um unakzeptable Schwankungen im Ausgangssignal auszuschliessen. Ähnlich scharfe Anforderungen sind für die Brücke und die Messelemente notwendig.

Von Bedeutung ist der Phasenwinkel für die Eingangsspule und alle Spannungsdaten müssen auf diesen bezogen sein. Phasenkorrekturen für die einzelnen Schaltungs-Komponenten sind erforderlich wenn Messungen entweder stromaufwärts oder stromabwärts der Eingangsspule angestellt werden.

Die einzelnen Spulen sollten soweit wie möglich identisch und gegen Temperaturänderungen abgeschirmt sein.

Die erläuterten Massnahmen sind notwendig, um gleichbleibend reproduzierbare Ergebnisse insbesondere dann zu erzielen, wenn - was für viele der oben erwähnten Messprobleme der Fall ist - häufig das Volumen des zu erfassenden Gegenstandes in der Grössenordnung eines oder weniger Kubikzentimeter ist, während das Spulenvolumen einen Kubikmeter oder mehr beträgt.

Es wurde gefunden, dass diese Anforderungen dann erfüllt werden können, wenn zunächst bestimmt wird, welche Winkel in bezugauf die anderen Komponenten wie z.B. den Oszillator massgeblich ist und die notwendige Korrektur vorgenommen wird. Die einfachste Weise, den Phasenwinkel der Eingangsspule zu bestimmen, besteht darin, einen Widerstand in Reihe zur Eingangsspule zu schalten und den Phasenwinkel des hindurchgehenden Signals zu messen.

Dies ermöglicht die Bestimmung des Widerstandanteils im

Ausgangssignal der Spulenanordnung, verursacht durch die Spannungsverschiebung aufgrund lediglich eines metallischen Gegenstands. Durch Verwendung des bekannten Widerstands in Reihe mit der Spule lassen sich die Korrekturdaten gewinnen. In diesem Fall lassen sich die Daten sowohl hinsichtlich der «Antwort» der Spule allein als auch hinsichtlich von Spule und Widerstand bestimmen. Diese Daten lassen sich dann in eine Korrekturgleichung einsetzen, bei der sowohl die Real- als auch die imaginärwerte der Spannung berücksichtigt werden. Diese Information lässt sich verhältnismässig einfach mit einem elektrischen Rechner programmieren und die eintreffenden Daten lassen sich dann so verändern, dass eine einwandfreie Korrektur auf 0° Phasenverschiebung sichergestellt ist.

Die Einstellung der 0°-Phase kann dann entweder an den Messelementeri selbst, z.B. in den Phasendetektorschalt-kreisen vorgenommen werden, oder es können Kalibrierungsdaten gewonnen und die Eingangsdaten entsprechend modifiziert werden, z.B. mit einem Computer, der unter Anwendung der erwähnten Fourier-Analysetechnik die reine Widerstandskomponente bestimmt.

Die beschriebene Kalibrierungstechnik, die das Einsetzen eines bekannten «reinen», also Ohm'schen Widerstands in Reihe mit der Messpule vorsieht, liefert die Kenntnis über den Anteil der in der Prüfspule auftretenden Asymmetrie des Eingangssignals aufgrund des Einbringens eines metallischen Gegenstands.

Das Verfahren zur Bestimmung, welcher Anteil der Unsymmetrie des Ausgangssignals dieser Widerstandsänderung entspricht, hängt selbstverständlich von der jeweils verwendeten Abgleichschaltung ab.

Wird für den Messkreis eine Brückenanordnung verwendet, so sind - obgleich der Abgleich leicht zu erreichen ist - verhältnismässig viele zusätzliche Schaltkreiskomponenten zwischen der Prüfspule und dem Ausgangssignal erforderlich. Sodann muss eine Kompensation für diese zusätzlichen Schaltkreiselemente vorgesehen werden, um die durch diese Elemente eingebrachte Phasenverschiebung zu bestimmen. Die Kompensation muss entweder elektrisch oder durch einen Rechenvorgang im Anschluss an die Messung vorgenommen werden.

Sind die verschiedenen Phasenverschiebungen in der Einrichtung einmal bekannt, ist es noch eine Sache der richtigen Korrektur der Phasenverschiebung, um die Werte der Widerstandskomponente jeweils auf die in der Eingangsspule vorhandene 0°-Phase zu beziehen. Wie erwähnt, soll die Korrektur so erfolgen, dass der Vektor der Widerstandskomponente mit der Widerstandskomponente der Impedanz der Spulenanordnung einen Winkel einschliesst, der kleiner als 1° ist.

Dieser Einstellvorgang auf 0o-Phasenverschiebung kann in der Apparatur selbst vorgenommen werden, oder es können Kalibrierungsdaten auf den Messvorgang angewendet werden, um die notwendige Korrektur auf 0°-Phasenver-schiebung sicherzustellen.

Es wurde gefunden, dass der Bezug auf das Oszillator-Ausgangssignal das bequemste Verfahren ist, um einen guten feststehenden Phasenbezug sicherzustellen. Eine Korrektur hinsichtlich der Verschiebung zwischen dem Oszillator und der Prüfspule muss vorgesehen werden, um die 0°-Phasen-linie zu erhalten. Ist dies sichergestellt, so kann der richtige Bezug auf die Phase des von der Schaltung gelieferten Ausgangssignals und eine Korrektur mit so hoher Genauigkeit erreicht werden, dass eine maximale Abweichung von weniger als einem Grad zur Phasenlage des Eingangssignals der Spulenanordnung sichergestellt ist.

Es sei besonders erwähnt, dass die Korrekturgleichungen sowohl die Real- als auch die Imaginärwerte der Spannung

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berücksichtigen. Diese Information lässt sich leicht in einem Rechner programmieren und die eintreffenden Daten können normalerweise so modifiziert werden, dass eine Korrektur auf 0o-Phasenverschiebung gewährleistet ist.

Es wurde gefunden, dass der bei 0o-Phasenverschiebung erhaltene Wert zwischen + oder -5% liegt. Jede um mehr als eine Toleranzgrenze von ±1° hinausgehende Abweichung führt zu einem beträchtlichen Verlust an Genauigkeit, so dass sich die Daten für ähnliche Proben oder Prüfgegenstände nicht genau reproduzierbar darstellen lassen. Dann lässt sich beispielsweise auch nicht die in Fig. 6 gezeigte geradlinige Abhängigkeit ausnutzen.

Für einen komplexen Gegenstand ist es unnötig, spezifische, charakteristische Frequenzwerte zu verwenden, da viele Spitzenwerte, jeweils einer pro Metallkomponente, für die verschiedenen Metallkomponenten des überprüften Gegenstandes auftreten. Durch die Auswahl von dreissig Frequenzen im Bereich von 100 bis 10 000 Hz wird ein typischer Bereich festgelegt, der die für interessierende Kennlinien erforderlichen Ergebnisse liefert, beispielsweise für Handfeuerwaffen und innerhalb dessen auch eine leichte und einwandfreie Identifizierung und Unterscheidung von Typen möglich ist. Um die in den Fig. 10 und 11 gezeigten Kennlinien zu erhalten, werden Frequenzwerte gewählt, die sowohl hinsichtlich des spezifischen Widerstands des zu untersuchenden Metalls als auch des abgeschätzten Querschnittbereichs relevant sind.

Aus den charakteristischen Kennlinien der beiden Fig. 10 und 11 lässt sich eine grosse Übereinstimmung zwischen dem Bezugsgegenstand und dem zu identifizierenden Gegenstand feststellen. Was die unterschiedlichen Arten von Gegenständen mit geringfügigen Unterschieden im Design und der Zusammensetzung anbelangt, wie dies bei verschiedenen Typen von Handfeuerwaffen vorkommt, kann festgestellt werden, dass die Kennlinien sich sehr charakteristisch unterscheiden, und zwar wegen den Unterschieden im Querschnitt und dem spezifischen Widerstand der einzelnen Materialien, aus denen die zu überprüfenden Gegenstände hergestellt sind.

Zur Identifikation kann der Rechner im Prinzip beliebig grosse Mengen von Kenndaten bekannter Bezugsgegenstände speichern und das eintreffende Signal auf 0°-Phasen-verschiebung relativ zum Signal der Primärspulenanordnung korrigieren. Sodann werden die von dem in der Prüfspule enthaltenen Gegenstand herstammenden Eingangssignaldaten mit den gespeicherten Kenndaten verglichen, um auf Übereinstimmung überprüft zu werden.

Beim Messvorgang wird der Gegenstand beispielsweise unmittelbar in das Innere der Prüfspule eingebracht. Wie erwähnt, ändern sich die Werte der reziproken Frequenz stark in Abhängigkeit von der Querschnittsfläche des jeweils untersuchten Gegenstandes. Dies darf nicht mit den Änderungen in der Querschnittsgeometrie verwechselt werden, die ebenfalls einen Einfluss haben, jedoch nicht den bedeutsamen Einfluss, der sich aus den Änderungen der spezifischen Widerstandswerte und der Querschnittsflächen der einzelnen Proben ergeben. Die Verhältnisse lassen sich aus der Beziehung f _Ki 'p - A

ersehen. Um Kennlinien, wie in den Fig. 10 und 11 dargestellt, zu entwickeln, werden Frequenzwerte gewählt, die sowohl hinsichtlich des spezifischen Widerstands des aufzuspürenden Metalls als auch hinsichtlich der geschätzten Widerstandsfläche relevant sind.

Die Spulenanordnung und Geometrie sind ebenfalls als wichtige Grössen zu erwähnen, da die charakteristischen Kennlinien durch sie beeinflusst werden. In diesem Zusammenhang sei auf die Terme N und Bo in Fig. 6 hingewiesen. Diese physikalischen Grössen ermöglichen einige Anhaltspunkte für die Auslegung der Spule als ein wesentlicher Faktor für das Ansprechverhalten der Einrichtung.

Die Beziehung, die mit der Ordinate der Fig. 6 zusammenhängenden Variablen zeigt, ist die folgende:

worin mit

N die Windungsanzahl der Spule,

Bo die magnetische Induktion (in Weber/m2);

g der spezifische Widerstand des untersuchten

Metalls (in Qm);

|xo die Permeabilität des freien Raums (4 7tx 10-7 in

MKS-Einheiten);

K (a2/b2) eine dimensionslose Grösse, die durch das Verhältnis a2/b2 von der Gegenstandsgeometrie abhängt, mit

A R die in Phase liegende Komponente des abgetasteten Signals, z.B. in Volt (vgl. Fig. 2), und mit fP die den Spitzenwert auslösende, charakteristische

Frequenz (Hz)

bezeichnet sind.

Der Ausdruck

!(NBo)4 — K(a2/b2)]

n2 jxo bezeichnet die Neigung der geraden Linien in Fig. 4. Bemerkenswert ist, dass keine Abhängigkeit vom Probenquerschnitt vorhanden ist.

Hinsichtlich der konstanten Terme in der Gleichung ergibt sich für a2/b2 = 1,2,3,4

K (a2/b3) = 1,248 bzw. 1,334 bzw. 1,475 bzw. 1,607.

Der Durchmesser der Spulen selbst kann in einem weiten Bereich schwanken, beispielsweise von 15 cm bis 180 cm. Die Eingangs- und die Prüfspule werden im allgemeinen konzentrisch und auf Abstand voneinander angeordnet mit einem Isolationsmaterial, wie Fiberglas zwischen den Spulen. Die Spulen werden gegen Änderungen der Raumtemperatur durch eine Isolation geschützt, da - wie erwähnt - sonst Änderungen im Ausgangssignal zu erwarten sind. Als weitere Kompensationsmassnahme hat sich als vorteilhaft und wirksam die Verwendung von speziellen Legierungen thermisch stabiler Metalle für die Leiter anstelle von Kupfer erwiesen, um die thermischen Einflüsse zu vermindern. Die Spulenanordnung mit ca. 180 cm 0 oder etwas grösser eignet sich für Zwecke der Sicherheitsüberprüfung an Flughäfen. Die einzelnen zu überprüfenden Passagiere gehen durch die Spule hindurch und werden dabei insbesondere auf das Mitführen von Waffen automatisch abgetastet.

Im Rahmen der hier gegebenen Erläuterung sind die Beziehungen zwischen dem spezifischen Widerstand, der Probenfläche, der charakteristischen Frequenz und der durch die Frequenz geteilte Wert der Widerstandskomponente als für die Kennlinien-Spitzenwerte geltenden Einzelwerte angegeben. Jedoch kann die Beziehung zwischen dem spezifischen Widerstand und der Querschnittsgeometrie vergleichsweise komplex sein. Dem zum Trotz ist es lediglich erforderlich, eine charakteristische Kennlinie von den zu

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untersuchenden oder zu suchenden Gegenständen zu erhalten. Nachlaufeffekte, Schatteneffekte, Einflüsse der Geometrie und magnetische Effekte führen zu keinen Problemen, da die charakteristischen Kennlinien - wie Versuche gezeigt haben - für den gleichen Gegenstand genau gleich ausfallen.

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7 Blatt Zeichnungen

Claims (25)

1. 660799

   PATENTANSPRUCH E

   1. Einrichtung zur Identifizierung von leitfähigen Gegenständen, gekennzeichnet durch a) eine Spulenanordnung (14, 16; 100, 102; 114, 116,118; 142; 178), die zur Erzeugungeines magnetischen Feldes ausgebildet ist, das den zu identifizierenden, leitfähigen Gegenstand (20; 110; 126) zu durchsetzen bestimmt ist;

   b) einen einer Eingangsspule (14; 100; 114) der Spulenanordnung zugeschalteten Signalgenerator (12; 98; 112;140;

   164), der zur aufeinanderfolgenden Speisung der Eingangsspule (14; 100; 114) mit Signalen vorwählbarer Frequenzwerte ausgebildet ist, und c) eine Ermittlungsvorrichtung ( 18 ; 108; 124; 146; 180), die dazu ausgebildet ist, für jeden gespeisten Frequenzwert eine Widerstandskomponente (36) der Impedanzänderung zu ermitteln, die durch Einführung des leitfähigen Gegenstandes (20; 110; 126) in das Magnetfeld auftritt.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (18; 108; 124; 146; 180) zur Ermittlung der Widerstandskomponente (36) eine Spannung liefert, die innerhalb des Bereichs von 1 Grad in vollständiger Phasenübereinstimmung mit einem der Eingangsspule (14; 100; 114) zugeführten Frequenzsignal liegt.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Änderungen der Spulenkennwerte zufolge Betriebs- und Ausseneinflüssen kleiner als IO"4 der Nennwerte sind.
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenanordnung zwei aufeinander ange-passte Spulen (14, 16 ; 100, 102 ; 116, 118 und 114) enthält, von denen eine die Eingangsspule ( 14; 100; 114) ist.
5. 5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Wicklungen der Spulen der Spulenanordnung in einem Abstand von zwischen 1 und 2 cm voneinander angeordnet sind.
6. 6. Einrichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass Änderungen der Spulenkennwerte aufgrund von Änderungen der Umgebungstemperatur kleiner als 10-4 der Nennwerte sind.
7. 7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangssignale des Frequenzgenerators (12; 98; 112; 140; 164) Phasenabweichungen von weniger als '/2 Grad gegen einen Bezugswert aufweisen.
8. 8. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Ermittlung der Widerstandskomponente einen Phasendetektor (18; 108; 124; 146; 180) enthält, der vorzugsweise parallel zur Spulenanordnung geschaltet ist und auf diese so bezogen ist, dass das von ihm gelieferte Signal zumindest annähernd in Phase mit jedem der Eingangsspule (14; 100; 114) zugeführten periodischen Signal liegt.
9. 9. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Ermittlung der Widerstandskomponente einen elektronischen Rechner (148) aufweist, der auf der Grundlage einer Fourier-Analyse die Werte der Widerstandskomponente ermittelt.
10. 10. Einrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung des Rechners ( 148) zur Ermittlung des Verhältnisses zwischen der ermittelten Widerstandskomponente und dem dieser zugeordneten Frequenzwert.
11. 11. Einrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch

    - einen Speicher des Rechners ( 148) zur Speicherung des besagten Verhältnisses und

    - eine Vergleichsvorrichtung des Rechners ( 148), die von einem zu prüfenden, zweiten Gegenstand herstammende, ähnliche Verhältniswerte mit den gespeicherten Verhältniswerten vergleicht.
12. 12. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenanordnung eine Sekundärspule (16; 116; 118) aufweist und dass die Eingangsspule (14; 100; 114) und die Sekundärspule ( 16 ; 116, 118) koaxiale Hohlspulen sind, deren Wicklungen voneinander getrennt, jedoch ein-s ander benachbart liegen.
13. 13. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenanordnung ( 100, 102) eine der Eingangsspule ( 100) gleiche Spule ( 102) aufweist, die dazu in Reihe in einer Abgleichs-Brückenschaltung ( 100, 102, 104,

    io 106) liegt.
14. 14. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass a) die beiden gleichen Spulen (100, 102) an die beiden Anschlüsse des Frequenzgenerators (98) geschaltet sind, 15 b) zwei in Reihe liegende Widerstände (104,106) ebenfalls an die Anschlüsse des Frequenzgenerators (98) angeschlossen sind,

    - einer (106) der Widerstände (104, 106) zum Abgleich der Brücke variabel ist und

    20 - der Phasendetektor (108) über der Brücke am Verbindungspunkt der beiden Spulen (100, 102) einerseits und am Verbindungspunkt der beiden Widerstände ( 104, 106) andererseits angeschlossen ist.
15. 15. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn-25 zeichnet, dass

    - die Eingangsspule (114) eine parallel zu den beiden Anschlüssen des Frequenzgenerators (112) angeschlossene Hohlspule ist,

    - die Spulenanordnung eine der Eingangsspule ( 114)

    30 benachbarte Sekundärspulenanordnung umfasst, deren zwei axial zueinander ausgerichtete identische Hohlspulen (116, 118) miteinander gegenläufig verknüpft sind,

    - mindestens ein veränderbarer Abgleichswiderstand ( 122) im Kreis der Sekundärspulen (116,118) liegt und

    35 - der Phasendetektor (124) zur Messung der Widerstandskomponente zwischen den beiden Sekundärspulen (116,118) angeschlossen ist.
16. 16. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Ermittlung der Wider-

    40 standskomponenteeine Baugruppe(I8; 108; 124; 146)aufweist zur Korrektur des Phasenwinkels gegenüber der Phase des der Eingangsspule zugeführten Signals auf den Wert 0°.
17. 17. Einrichtung nach Ànspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Frequenzgenerator (12; 98; 112; 140; 164)

    45 auf Signalfrequenzen in einem Bereich von etwa 100 bis etwa 10 000 Hertz einstellbar ist.
18. 18. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Frequenzgenerator (12; 98; 112; 140; 164) auf Signalfrequenzen in einem Bereich von etwa 1 bis 10

    so Megahertz einstellbar ist.
19. 19. Einrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Frequenzgenerator (164) einen Oszillatorquarz und einen veränderbaren Frequenzteiler ( 166) enthält und dass die Vorrichtung zur Ermittlung der

    55 Widerstandskomponente (36) eine Mehrzahl von Phasendetektoren ( 180) aufweist.
20. 20. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

    - die Spulenanordnung als abgeglichene Brücke ( 142) 60 angeordnet ist.

    - ein elektronischer Rechner ( 148) mit der Vorrichtung

    ( 146) zur Ermittlung der Widerstandskomponente (36) verbunden ist und die Werte der Widerstandskomponente (36) für sukzessive aufeinanderfolgende Frequenzen vergleicht 65 und

    - mit dem Ausgang des Rechners (148) eine Meldeeinrichtung ( 1 50) verbunden ist.
21. 21. Verfahren zum Betrieb der Einrichtung nach

    3

    660 799

    Anspruch 1, bei welcher zur Ermittlung des Verhältnisses zwischen der ermittelten Widerstandskomponente und dem dieser zugeordneten Frequenzwert eine Vorrichtung eines Rechners (148) vorgesehen ist, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

    a) Die Eingangsspule (14; 100; 114) der Spulenanordnung (14, 16; 100, 102; 114, 116, 110; 142; 178) wird mit einer Folge von Signalen vorgewählter Frequenzwerte gespeist, deren Phasenwinkel um weniger als 'A Grad variieren;

    b) der zu identifizierende, leitfähige Gegenstand (20; 110; 126) wird in das Magnetfeld der Spulenanordnung eingeführt;

    c) die Widerstandskomponente (36) des auftretenden Winkelstromverlustes wird für jeden der vorgewählten Frequenzwerte ermittelt;

    d) jede so ermittelte Widerstandskomponente (36) wird durch den sie hervorrufenden Frequenzwert geteilt, so dass für jeden Frequenzwert ein VerhältnisA R/f bestimmt wird; und e) die Verhältniswerte A R/f werden als Funktion der Frequenzwerte f aufgezeichnet und die so entstehende Kurve wird als Kennkurve für den Gegenstand verwendet.
22. 22. Verfahren nach Anspruch 21, bei welcher der Spulenanordnung eine Abgleichsbrückenschaltung zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenanordnung (14, 16 ; 100, 102, 114, 116, 118; 142, 178) abgeglichen wird, um für die Widerstandskomponente (36) maximale Empfindlichkeit zu erzielen.
23. 23. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass

    - eine Mehrzahl von charakteristischen Datengruppen zu Vergleichszwecken gespeichert wird und dass

    - die Datengruppen mit Daten, die von einem unbekannten Gegenstand (20; 110; 126) gewonnen werden, verglichen werden.
24. 24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass zur Festlegung von Bezugsdatenwerten ein spezifischer gleichförmiger metallischer Probekörper mit festgelegten Querschnittsabmessungen in das Magnetfeld der Spulenanordnung eingeführt wird.
25. 25. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Folge von Signalen vorgewählter Frequenzwerte a) einer stabilen Spulenanordnung zugeführt wird ;

    b) die Spulenanordnung sodann abgeglichen wird ;

    c) ein vorbestimmter metallischer Probekörper in das Magnetfeld der Spulenanordnung eingebracht wird ;

    d) die Widerstandskomponente einer den Abgleich der Spulenanordnung verschiebenden Messspannung aufgrund des metallischen Gegenstandes ermittelt und für die Phasenverschiebung in bezug auf die Phase der Eingangsfrequenz kompensiert wird, so dass der Wert der Widerstandskomponente auf eine Phasen-Verschiebung von 0° bezogen ist;

    e) die Werte der Widerständskomponente durch die entsprechenden Frequenzen geteilt werden und f) diese Werte als Funktion der entsprechenden Frequenz aufgezeichnet werden, zur Ermittlung eines Spitzenwertes (40 ; 46 ; 52) bei einer Frequenz (fp), bei der der spezifische Widerstand der Metallprobe, geteilt durch deren Querschnitt, proportional ist zur Widerstandskomponente (36) der Verschiebespannung geteilt durch die entsprechende Frequenz.