CN110161568B - 用于操作多频金属探测器的方法和多频金属探测器 - Google Patents
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Abstract
用于操作金属探测器的方法，所述金属探测器包括用于在产品中产生电磁场的驱动线圈；以及至少一个检测线圈，其布置成检测由产品中存在的金属颗粒引起的磁场的波动；以及包括转换器(4)的多频发射器单元，转换器具有根据操作指令由驱动控制器驱动的多个驱动开关，使得驱动开关交替地引导驱动电流通过驱动线圈，使得产生的电磁场呈现出两个或更多个不同的频率分量；因此，本发明的金属探测器允许选择存储在驱动控制器中的至少一个存储的PXM信号，利用该信号可以以至少两个不同的频率分量产生驱动电流，该驱动电流直接或经由导纳单元应用到驱动线圈。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于操作多频金属探测器的方法以及一种根据该方法操作的多频金属探测器。
背景技术
如US20120206138A1中所述，金属探测器用于检测和拒绝不需要的金属污染。正确安装和操作后，金属探测器将有助于减少金属污染并提高食品安全性。大多数利用探测头的现代金属探测器包括线圈系统，该线圈系统具有接收驱动信号并在产品中产生电磁场的驱动线圈；以及至少一个检测线圈，其布置成检测由产品中存在的金属颗粒引起的磁场波动，包括诸如新鲜和冷冻食品的各种产品中的黑色金属、有色金属和不锈钢。
根据“平衡线圈”原理操作的金属检测系统通常包括三个线圈，驱动线圈和两个相同的检测线圈，它们缠绕在非金属框架上，每个都与另一个完全平行。由于通常将驱动线圈居中封闭在其间的检测线圈是相同的，因此在它们中的每一个中感应出相同的电压。为了在系统处于平衡状态时接收零输出信号，第一接收器线圈与具有反向绕组的第二接收器线圈串联连接。因此，在系统处于平衡且观察到的产品中不存在污染的情况下，在接收器线圈中感应的具有相同幅度和反极性的电压彼此抵消。
然而，一旦金属颗粒通过线圈装置，电磁场首先在一个检测线圈附近被扰乱，然后在另一个检测线圈附近被扰乱。在输送金属颗粒通过检测线圈的同时，改变每个检测线圈中感应的电压(纳伏特)。这种平衡变化导致在接收单元中检测线圈输出端的信号可以被处理、放大并随后用于检测观察产品中金属污染物的存在。
在典型的金属探测器中，接收器单元中提供的信号处理通道将接收的信号分成两个彼此间隔90°的独立分量。合成矢量具有幅度和相位角，这对于传送通过线圈系统的产品和污染物是典型的。为了识别金属污染物，需要去除或减少“产品效应”。如果产品的相位已知，则可以减少相应的信号矢量。从信号频谱中消除不需要的信号因此引起对源自金属污染物的信号的更高灵敏度。
用于消除信号频谱中不需要的信号的方法因此利用了这样一个事实：金属污染物、产品和其它干扰对磁场有不同的影响，从而产生的信号在相位上不同。当金属或产品通过线圈系统时，由金属或产品引起的信号可以根据被测物体的导电率和磁导率分成两个分量，即电阻和电抗分量。由铁氧体引起的信号主要是电抗性的，而来自不锈钢的信号主要是电阻性的。导电的产品通常会产生具有强电阻分量的信号。通过相位检测器区分不同来源的信号分量的相位允许获得关于产品和污染物的信息。所述信号分量或相位和幅度变化取决于所应用的驱动信号的频率，所选择的驱动信号的频率使得金属污染物的信号分量与观察到的产品信号的信号分量异相。
US8473235公开了一种具有驱动电路的金属探测器，该驱动电路连接到驱动线圈并且包括由驱动控制器驱动的多个开关，驱动控制器交替地将驱动线圈连接在电位差上以使驱动线圈在预定的操作频率下被驱动。驱动控制器可以被编程为操作多个开关以获得任何单个操作频率，其可以在40至900KHz的范围内以1Hz的增量选择。然而，与由调谐电路产生的传统正弦信号相比，通过方波(或由于线圈的电感引起的梯形波)驱动线圈系统产生大量相对高的能量谐波。为了避免这些谐波的负面影响，该装置包括用于从线圈系统获得信号的检测电路，其中检测电路包括耦合到低通滤波器的相敏检测器，该低通滤波器抑制所述干扰谐波，它们通常被认为是最不受欢迎的。
虽然一个操作频率可能适合于一种特定的金属污染物，但是相同的频率可能无法为其它金属污染物提供所需的结果。同时使用根据产品和潜在污染物选择的两个或更多个发射器频率允许获得关于两种或更多种不同金属污染物的更准确信息而不切换操作频率。
US8159225公开了一种具有多频发射器的多频金属探测器和一种通过产生至少两个矩形波信号来产生多频驱动信号的方法，每个矩形波信号具有不同的基频；混合所选择的矩形波信号以产生包含相对高幅度的不同频率分量的切换信号，其频率对应于两个所选矩形波信号的基频的卷积。除了期望的频率分量之外，还存在需要去除或抑制的其它频率分量。
US8159225还公开了将数字驱动切换信号应用到连接到金属探测器的驱动线圈的全桥开关功率级。全桥开关功率级包括两个半桥，每个半桥包括两个半桥开关，一个半桥由数字切换信号驱动，另一个半桥由反相数字切换信号驱动。全桥开关功率级的半桥开关中的电流对应于在驱动线圈中流动的电流。因此，对于驱动线圈半桥开关中的高电流，需要能够提供这种高线圈电流。因此，必须以相当大的成本相应地确定和构建多频发射器。
因此，本发明的目的是提供一种用于操作多频金属探测器的改进方法以及一种根据该方法操作的改进的多频金属探测器。
本发明的方法和多频金属探测器应有利地允许产生具有至少两个不同频率分量的多频驱动信号。应避免或至少减少滤波电路。
此外，多频驱动信号的频率应优选地根据需要选择，使得金属探测器可以灵活地用于各种产品和潜在的污染物。
金属探测器应配备有改进的多频发射器，其具有改进的效率，结构简单，可以以降低的成本构建并且允许最大化传输到驱动线圈的线圈电流。
本发明的方法和金属探测器应允许在驱动线圈中产生高驱动电流，而发射器单元中的电流保持相对较低，以便发射器电路可以相应地确定尺寸，例如降低了功率性能和成本。
发明内容
在本发明的第一个主要方面，提供了一种用于操作金属探测器的方法，该金属探测器包括设计用于在产品中产生电磁场的驱动线圈；以及至少一个检测线圈，其布置成检测由产品中存在的金属颗粒引起的磁场波动；以及多频发射器单元，其包括具有多个驱动开关的转换器，所述驱动开关由驱动控制器根据操作指令驱动，使得驱动器开关交替地引导驱动电流通过驱动线圈，使得产生的电磁场呈现出两个或更多个不同的频率分量。
通过以下步骤达到具有两个或更多个不同频率分量的电磁场
-对于至少两个不同的频率分量确定驱动电流的波形；
-确定与所定义的驱动电流波形相对应的至少一个脉冲序列信号(下面称为PXM信号)；
-根据所提供的操作指令，选择在线确定或存储在存储器模块中的至少一个确定的PXM信号；和
-产生并应用所确定的PXM信号以控制发射器单元的驱动开关，从而产生具有所定义波形的驱动电流。
可以确定至少一个PXM信号、优选脉冲宽度调制或脉冲密度调制信号，然后将其存储在存储器中供后面使用。然而，优选地，在线确定和生成PXM信号，使得金属探测器可以在线调谐到产品和污染物，或者可以在线调整以适应变化的产品和污染物。因此，用户可以根据他的个人要求调整金属探测器。
Sarbari Das和Manish Bharat，使用脉冲密度调制实现IGBT串联谐振变换器，International Journal of Industrial Electronics and Electrical Engineering，Volume-3，Issue-2，Feb，2015，描述了脉冲密度调制是用于表示具有数字数据的模拟信号的调制形式。在PDM中，替代特定的幅度值，脉冲的相对密度对应于模拟信号的幅度。
脉冲宽度调制技术在MJGrimble，MAJohnson，Jian Sun，Advances in industrialControl，Springer-Verlag London Limited 2012，第2章中描述。原则上，通过将参考信号与载波信号，例如锯齿状载波、倒置锯齿状载波或三角形载波比较可以产生PWM信号。因此，优选数学上确定的驱动电流的波形可以用作与载波信号、例如锯齿状或三角形载波进行比较的参考信号。
转换器的驱动开关、优选功率FET单元可以被布置为例如桥电路或半桥电路。在第一实施例中，驱动开关被布置为全波桥或H桥，其包括第一和第二分支，第一和第二分支在一侧连接到第一电压电位、例如驱动电压，在另一侧连接到第二电压电位、例如接地电位，第一和第二分支分别包括相应地连接到用作负载的驱动线圈的第一或第二端的第一或第二中心抽头。第一对驱动开关布置在第一分支中并且在第一中心抽头处彼此连接，第二对驱动开关布置在第二分支中并且在第二中心抽头处彼此连接。然后控制驱动开关，使得驱动线圈的第一和第二端交替地连接到第一和第二电压电位，即一方面第一分支的上部和第二分支的下部以及另一方面第一分支的下部和第二分支的上部被交替启动，从而引导交流电流以预定形状或波形通过驱动线圈。
在第二实施例中，第一和第二驱动开关形成半桥电路，该半桥电路在一侧连接到第一电压电位、例如第一驱动电压，在另一侧连接到第二电压电位、例如第二驱动电压。第一和第二驱动开关连接在半桥电路的中心抽头处并且是可控制的，使得连接到中心抽头的驱动线圈的第一端可交替地连接到第一电压电位和第二电压电位。
借助于预定的PXM信号或通过两个或更多个PXM信号来致动驱动开关。如果只提供一个PXM信号，则该PXM信号直接或经由变换器应用到驱动开关，以便正确致动各个驱动开关。在提供两个PXM信号的情况下，可以简化优选地包括放大器的驱动电路。
在一个优选实施例中，对于两个或更多个不同频率分量确定驱动电流的形状或波形的步骤包括单独地叠加与至少两个不同频率分量中的一个相关的电流分量。这样的频率分量可以是正弦的并且可以表示奇数和/或偶数谐波。因此，可以在数学上确定时域中的驱动电流的函数，例如通过相应的程序模块。每当用户选择新的操作频率是频率分量时，PXM信号可以是预定的或可以是确定的。
因此，金属探测器的用户可以确定哪些频率或频率分量适合于检测潜在的污染物或金属颗粒。然后，通过时域中每个频率分量的叠加来确定对于每个频率分量的信号函数或驱动电流。基本角频率，即第一频率分量是ω。在下面的公式中，剩余的角频率被选为第3，第7和第17谐波。四个角频率分量的权重在频率方面成反比：
i(ωt)＝I sin(ωt)+I/3sin(3ωt)+I/7sin(7ωt)+I/17sin(17ωt)
金属探测器的用户可以优选地针对不同组的两个或更多个不同频率分量确定驱动电流的任何数量的波形。因此，对于不同的产品和/或不同的潜在污染物，用户可以用适当的频率分量组选择驱动电流的波形，即用户可以持续优化检测过程。
可以以期望的精度以各种方式确定对应于优选数学上确定的驱动电流的波形的PXM信号，使得在频域中仅出现期望的频率分量。在仍有干扰频率分量的情况下，可以通过位于相位检测器之前或之后的滤波器来抑制这种干扰频率分量，该相位检测器接收来自检测线圈的信号和来自发射器单元的参考信号。
在一个优选实施例中，脉冲序列或PXM信号是通过将三角形或梯形信号近似为优选数学上确定的驱动电流的波形而获得的，使得确定的驱动电流的波形的最大值和最小值和三角形或梯形信号的最大值和最小值彼此对应和/或重合。然后，在三角形或梯形信号的最大值和最小值处依次定义PXM信号的下降沿和上升沿的切换角度。三角形或梯形信号的近似优选地进行，使得所确定的驱动电流的波形的最小值或最大值以及三角形或梯形信号的最大值或最小值在相同位置处重叠。这种形态学近似的基本概念是，如果两个信号具有相似的时域波形，它们将共享相似的幅度谱。或者，可以使用PWM或PDM方法中的一个来导出脉冲序列信号。
在另一优选实施例中，所描述的用于优选地数学上确定所选频率分量的驱动电流的波形并用于确定相应PXM信号的过程由处理器和金属探测器中提供的相应程序自动执行。因此，金属探测器的用户可以自由地选择两个或更多个合适的频率分量，此后所述处理器和程序确定PXM信号或PXM信号的相关切换角度。或者，可以将用于多组标准操作频率的切换角度牢固地编程并存储在驱动控制器中，并根据执行的工业或非工业过程进行选择。
具有浮雕频率分量的驱动电流的波形优选地对于存在于驱动电流的波形中的具有最低频率的频率分量的一个循环持续时间确定。该驱动电流的时间段包含连续驱动电流的所有信息。因此，通过重复应用PXM信号的相应序列，通过在驱动电流中包含的最低频率的周期内顺序地重复优选数学上确定的驱动电流的波形，可以产生实际驱动电流。
驱动电流可以直接提供给驱动线圈，使得由转换器提供的驱动电流和传输到驱动线圈的线圈电流是相同的。然而，在一个优选实施例中，驱动电流通过导纳单元提供给驱动线圈，该导纳单元与驱动线圈一起形成在驱动电流的两个或更多个不同频率分量中活动的谐振电路。通过将导纳单元和驱动线圈的谐振电路调谐到驱动电流的频率分量或反之亦然，驱动线圈中出现的电流将显著大于流过驱动开关或功率FET的驱动电流。因此，具有功率FET的多频发射器单元的尺寸可以针对比驱动线圈中实际所需较小的电流设定。此外，当通过适当地调谐谐振电路使转换器的输出阻抗高时，检测产品中污染物所需的频率分量的水平增加，而其它不需要的频率分量不会增加或甚至减少，从而改善了获得的信号的信噪比和金属探测器的灵敏度。
在一个优选实施例中，导纳单元包括至少第一分支和第二分支，第一分支具有第一电容器和第一电感器，其与驱动线圈一起形成第一谐振电路，第二分支具有第二电容器和第二电感器，其与驱动线圈一起形成第二谐振电路。优选地，分支和/或单独的电容器和电感器可以单独地或成组地连接到驱动线圈，以便建立各个谐振电路，其对应于压印在驱动电流中的频率分量。
最优选地，存储的具有一组特定频率分量的PXM信号中的一个和导纳单元中的相应谐振电路可共同由金属探测器的用户选择。通过这种方式，金属探测器可以瞬间针对产品和污染物的任何组合进行优化。
一方面用于产生多频驱动电流的方法和装置的实施以及另一方面导纳单元的使用在组合实施时特别有利，但是当彼此独立地实施时也提供显著的改进，即与驱动线圈一起形成两个或更多个单独调谐的谐振电路的本发明的导纳单元也可以有利地应用于金属探测器中，其中根据另一种方法获得多频驱动电流。
附图说明
下面参考附图描述本发明的详细方面和示例，其中
图1a示出了本发明的金属探测器1，其包括具有四个驱动开关S41、S42、S43、S44的转换器4，用于桥接并且借助于由驱动控制器2提供的可选择的脉冲宽度或脉冲密度调制信号SPXM(下面称为PXM信号)来控制，并经由导纳单元5向驱动线圈L61提供驱动电流iD；
图1b示出了图1a的金属探测器1，其包括具有两个驱动开关S41、S42的转换器4，其形成半桥并且借助于由驱动控制器2提供的可选择的PXM信号SPXM来控制，并经由导纳单元5向驱动线圈L61提供驱动电流iD；
图2示出了图1a的金属探测器1，其配备有驱动控制器2，该驱动控制器2提供用于控制驱动开关S41、S42的第一PXM信号SPXM1和用于控制驱动开关S43、S44的相应的第二PXM信号SPXM2；
图3示出了图1a的金属探测器1，其配备有驱动控制器2，该驱动控制器2允许选择多个存储的PXM信号SPXM中的一个，每个信号都具有一组特定的频率分量；并且配备有导纳单元5，该导纳单元5允许选择性地将多个分支中的至少一个连接到驱动线圈L61，以产生调谐到所选PXM信号SPXM的频率分量的谐振电路，每个分支包括至少一个电容器C51；C52；C5n和至少一个电感器L51；L52；L5n；
图4示出了数学上确定的驱动电流iD或i(ωt)的波形，其包括四个频率分量ω、3ω、7ω和17ω，以及通过三角形信号iDA到确定的驱动电流i(ωt)的波形的近似确定的相关PXM信号SPXM；和
图5示出了驱动线圈L61中的线圈电流iL61，导纳单元5的分支中的电流iL51、iL52和由转换器单元4中的驱动开关S41、S42、S43、S44输出的驱动电流iD，用于图1a、图1b、图2和图3的金属探测器的完整频谱，表明如果驱动电流iD的频率分量fD1、fD2被设定为导纳电路5的谐振频率fRES1、fRES2，则驱动电流iD明显低于线圈电流iL61。
具体实施方式
图1a示出了本发明的金属探测器1的第一实施例，其包括发射器单元10和接收器单元11以及平衡线圈系统6，平衡线圈系统6具有连接到发射器单元10的输出的驱动线圈L61和在一端连接到地电位并且另一端连接到接收器单元11的输入级7的两个检测线圈L62和L63。在输入级7中，输入信号通常被放大和滤波，然后被转发到相位检测器8。相位检测器8允许区分不同来源的信号分量的相位并获得关于观察到的产品和污染物的信息(如果存在的话)。典型的相位检测器，例如，频率混频器或模拟乘法器电路产生两个独立的电压信号，它们代表由输入级7提供的同相和正交分量，以及由发射器单元10提供的参考信号fm。相位检测器8的输出信号是在控制单元9中进一步处理，控制单元9优选地配备有信号处理器、输入输出设备、键盘和显示器。借助于控制单元9，用户可以控制金属探测器1的操作。特别地，用户可以选择金属探测器的操作条件，特别是如下所述的所应用的驱动电流和操作频率。接收器单元11可以包括通常从传统金属探测器中已知的其它特征。
发射器单元10是多频发射器，其被设计为提供具有多个频率、例如两到八个频率的驱动信号，可在各种产品和污染物中提供良好的灵敏度。发射器单元10包括驱动控制器2、驱动单元3、转换器4以及优选地导纳单元5，其将由转换器4提供的驱动电流iD转发到驱动线圈L61。
在本发明的该实施例中，驱动控制器2包括具有一个存储器模块231的存储器单元23，其中与驱动开关S41、S42、S43、S44针对最低操作频率的长周期的每个时钟周期的状态有关的数据、例如脉冲宽度调制信号或PXM信号SPXM的切换角度α1、α2、...存储在相关地址处。下面参考图4讨论脉冲宽度调制信号SPXM的确定。如上所述，当应用到驱动开关S41、S42、S43、S44时，对应于驱动电流的任何脉冲序列PXM信号SPXM可以使用。优选地，应用脉冲宽度调制信号或序列或脉冲密度调制信号或序列。因此，代替使用脉冲宽度调制信号的首字母缩写PWM和脉冲密度调制信号的PDM，使用首字母缩写词PXM，其代表对应于驱动电流的调制脉冲序列。
在通过控制单元9发出的复位信号rs复位系统之后，地址计数器22利用地址信号ad顺序寻址存储器模块231，以便从存储器模块231顺序读出PXM信号SPXM的数据，并且经由驱动单元3应用到驱动开关S41、S42、S43、S44。PXM信号SPXM经由驱动元件31和311路由到驱动开关S41的输入端，经由驱动元件32和321路由到驱动开关S42的输入端，经由驱动元件31'和312路由到驱动开关S44的输入端，经由驱动元件32'和322路由到驱动开关S43的输入端。驱动元件32和32'是变换器，其保证当驱动开关S41和S44闭合时，驱动开关S42和S43始终敞开；并且当驱动开关S41和S44敞开时，驱动开关S42和S43始终闭合。以这种方式，交流电流流过驱动线圈L61，同时避免了短路。为了简化附图，元件31、31'和32、32'已被复制。然而，元件31的输出可以连接到元件311和312的输入，并且元件32的输出可以连接到元件321和322的输入，而不需要元件31'和32'。
为了获得金属探测器的相位相干操作，提供时钟单元21，其将参考信号fm传送到地址计数器22、存储器单元23和相位检测器8。
由于PXM信号SPXM的数据优选地仅存储最低操作频率的一个周期，因此从存储器模块231重复读出数据。因此，图4中所示的驱动电流iD的区段是按顺序重复生成，直到用户终止操作或更改设置。因此，地址计数器22从最低地址号到最高地址号进行计数，并在最低地址号处重新开始。
驱动开关S41、S42；S43、S44布置在全波桥电路或H桥中，其包括第一分支和第二分支，第一分支和第二分支在一侧连接到驱动电压VD并且在另一侧连接到地电位。第一分支包括连接到驱动线圈L61的第一端的第一中心抽头。第二分支包括连接到驱动线圈L61的第二端的第二中心抽头。第一对驱动开关S41、S42布置在桥的第一分支中并且在第一中心抽头处彼此连接。第二对驱动开关S43、S44布置在第二分支中并且在第二中心抽头处彼此连接。如上所述，通过将PXM信号SPXM应用于驱动开关S41、S42；S43、S44，驱动线圈L61的第一和第二端分别交替地连接到驱动电压VD和地电位。
转换器4将PXM信号SPXM转换为驱动电流iD，其包括期望的频率分量，优选地具有最低频率的谐波，例如根据公式，其已经用于确定PXM信号SPXM：
i(ωt)＝I sin(ωt)+I/3sin(3ωt)+I/7sin(7ωt)+I/17sin(17ωt)
如下面参考图4所述，PXM信号SPXM优选地根据这样的公式产生，使得在转换器4中转换之后，产生驱动电流iD，其例如具有该公式的四个频率分量或其近似值。优选避免或抑制其它谐波。为了提高灵敏度，扩展所需的谐波。此外，希望利用相对小的驱动电流iD产生高线圈电流iL61。这些目的通过经由导纳单元5将驱动电流iD引导到驱动线圈L61来达到。
在所示的实施例中，导纳单元5包括多个分支，每个分支相应设置有电容器C51；C52；C5n和电感器L51；L52；L5n。分支数n对应于驱动电流iD中存在的频率分量的数量。每个分支C51、L51；C52、L52；C5n、L5n与驱动线圈L61一起形成谐振电路，该谐振电路被调谐到驱动电流iD的相应频率分量ω、3ω、7ω、17ω。共振时驱动线圈L61中的线圈电流iL61明显大于驱动电流iD。因此，一方面，在驱动开关S41、S42；S43、S44中流动的驱动电流iD可以减小，同时达到高线圈电流iL61。因此，转换器4的尺寸可以设计成用于较低的电流，并且可以以降低的成本构建。
图1a的金属探测器被调谐到存储在驱动控制器2中的PXM信号SPXM的特定频率组。导纳单元5连同其分支C51、L51；C52、L52；C5n、L5n被固定以以该组频率分量ω、3ω、7ω、17ω与驱动线圈L61一起谐振。
图1b在具有转换器4的实施例中示出了图1a的金属探测器1，转换器4具有形成半桥的两个驱动开关S41、S42并且借助于诸如由驱动控制器2提供的脉冲宽度或脉冲密度调制信号的可选择的PXM信号SPXM控制。驱动开关S41、S42经由导纳单元5向驱动线圈L61提供驱动电流iD。驱动开关S41、S42形成半桥电路，该半桥电路在一侧连接到第一电压电位VD、例如第一驱动电压，在另一侧连接到第二电压电位VS、例如第二驱动电压。驱动开关S41、S42连接在半桥电路的中心抽头处，并且被控制成使得连接到中心抽头的驱动线圈L61的第一端交替地连接到第一电压电位VD和第二电压电位VS。
此外，如上所述，在优选实施例中，PXM信号SPXM可以在线生成并转发到转换器4。在图1b中，提供选择器开关S2，其由控制单元9借助于控制信号ctrl控制。选择器开关S2可以被设置为接收由存储器模块23提供的PXM信号SPXM-存储，或者接收由处理器单元25、例如数字信号处理器DSP在线提供的PXM信号SPXM-在线，处理器单元25由控制单元9借助于控制信号ctrl控制。在处理器单元25中实现程序，利用该程序可以生成合适的脉冲宽度调制信号和/或脉冲密度调制信号。处理器单元25与其它电路一起优选地集成到控制单元9中，还可以生成存储在存储器单元23中以供后面使用的PXM信号。
在所讨论的所有实施例中，PXM信号SPXM可以从存储器单元23和/或处理器单元25中选择，其中存在驱动开关S41、......、S44的任何配置以及导纳单元5的任何配置，如果有的话。因此，各个实施例的特征可以自由组合。特别地，处理器单元25可以最有利地用于在线生成具有任何操作频率组的PXM信号SPXM。同时，导纳单元5可以自动调谐到相同的一组操作频率。处理器单元25可以在所有公开的电路中替换存储器单元23，或者可以用作PXM信号SPXM的替代源。
图2示出了图1a的金属探测器1，其配备有驱动控制器2，其提供用于控制驱动开关S41、S42的第一PXM信号SPXM1和用于控制驱动开关S43、S44的相应的第二PXM信号SPXM2。第一PXM信号SPXM1存储在存储器模块23A中，第二PXM信号SPXM2存储在存储器模块23B中，优选地存储在相应的地址处。因此，地址计数器22可以同步地寻址存储器模块23A和23B，以便同时读出第一PXM信号SPXM1和第二PXM信号SPXM2。存储器模块23A和23B可以存储彼此变换的PXM信号SPXM1和SPXM2。当两个PXM信号处于地电位或者两者都处于驱动电压VD的电位时，具有两个PXM信号使得转换器4可以在其输出上具有0伏的差分。这允许产生梯形波和更好的电流控制。
图3示出了图1a的金属探测器1，其配备有驱动控制器2，该驱动控制器2允许选择多个存储的PXM信号SPXM中的一个，每个信号具有一组特定的频率分量；并且具有导纳单元5，导纳单元5允许选择性地将多个分支中的至少一个连接到驱动线圈L61，以便产生调谐到所选PXM信号SPXM的频率分量的谐振电路，每个分支优选地包括至少一个电容器C51；C52；C5n和至少一个电感器L51；L52；L5n。每个PXM信号SPXM的数据被单独存储在相应的存储器模块231；232；23N中。导纳单元5的分支可以借助于开关S51、S52、S5n单独地启动，开关S51、S52、S5n借助于选择器50致动。
为了选择具有所需组操作频率ω1、ω2、ω3、ω4的特定PXM信号SPXM并在导纳单元5中选择相应的谐振电路或分支C51、L51；C52、L52；C5n、L5n，控制单元9例如向地址计数器22，可选地向存储器单元23和选择器50提供频率选择信号sf。地址计数器22然后将寻址所选择的存储器模块231、232或23n，并且选择器50选择相应的开关S51、S52、S5n。
因此，图3的金属探测器1可以选择性地调谐到为特定产品和潜在污染物选择的任何频率组。可以通过添加电容器和电感器来调谐谐振电路，例如，借助于诸如电子开关的开关。这些项目的值也可以通过电子方式更改。
图4示出了数学上确定的驱动电流i(ωt)的波形，
i(ωt)＝I sin(ωt)+I/3sin(3ωt)+I/7sin(7ωt)+I/17sin(17ωt)其包括四个频率分量ω、3ω、7ω和17ω但没有干扰。进一步示出的是相关的PXM信号SPXM，其已经通过将三角形信号iDA近似为所确定的数学上确定的驱动电流i(ωt)的波形来确定。由于驱动电流iD和线圈电流iL61对于图1和3仅具有两个可能的梯度，并且对于图2具有三个可能的梯度(包括零)，因此数学上确定的驱动电流i(ωt)的波形通过使用三角形或梯形段来类似或近似。数学上确定的驱动电流i(ωt)的波形以虚线示出。近似三角形信号iDA的波形紧密地遵循数学上确定的驱动电流i(ωt)的波形。在周期的前半部分或正半波中，三角形信号iDA的最大值被设置为数学上确定的驱动电流i(ωt)的最大值。在周期的后半部分或负半波中，三角形信号iDA的最小值被设置为数学上确定的驱动电流i(ωt)的最小值。近似三角形信号iDA不是实际驱动电流iD，而是理想地是其镜像。近似三角形信号iDA被转换为PXM信号SPXM，然后在转换器4中将其转换为实际驱动电流iD，即近似三角形信号iDA的镜像。在图4中用括号表示实际驱动电流iD，至少近似也对应于近似三角形信号iDA。然而，如果抑制更高的频率，则虚拟驱动电流iD将更类似于数学上确定的驱动电流i(ωt)。
通过三角形或梯形段的近似具有以下优点：不期望的信号远离所选择的频率分量ω1、ω2、ω3、ω4发生，因此对测量没有显著影响。此外，傅立叶频谱中这种干扰信号的典型位置是已知的，因此通过相应地选择的滤波器装置可以容易地在接收器单元11的输入级7中抑制这种干扰信号。上面提到的US8473235公开了一种电路，其具有位于相位检测器之后的滤波器级。在本发明中，过滤努力较小。然而，任何已知的滤波技术也可以在解调之前或之后，即在相位检测器8之前和/或之后应用于由检测线圈L62，L63传输的信号。
借助于确定的三角形信号iDA，可以确定PXM信号SPXM的切换角度α1、α2、...，这是控制转换器4中的驱动开关S41、S42、S43、S44所需的。这些切换角度α1、α2、...位于所确定的三角形信号iDA的相对最大值和最小值处。因此，PXM信号SPXM的下降沿被设置为在所确定的三角形信号iDA的最大值处发生，并且PXM信号SPXM的上升沿被设置为在所确定的三角形信号iDA的最小值处发生。然后将获得的PXM信号SPXM或PXM信号SPXM1、SPXM2、...存储在存储器单元23中，即存储在存储器模块231、232、23n；23A、23B中的一个中。
图4示出了数学上确定的驱动电流i(ωt)的波形、近似三角形信号iDA和确定的PXM信号SPXM，用于最低频率ω的一个周期的长度。从相关的存储器模块231、232、23n；23A、23B重复读出PXM信号SPXM的数据，因此允许建立PXM信号SPXM的连续流。
图5示出了驱动线圈L61中的线圈电流iL61，导纳单元5的分支中的电流iL51，iL52(参见图3)和由转换器单元4中的驱动开关S41、S42、S43、S44传输的驱动电流iD，用于图1a、图1b、图2和图3的金属探测器的完整频谱。尽管线圈电流iL61的梯度几乎是线性延伸的，驱动电流iD的曲线示出了在每个谐振频率fRES1、fRES2处的强衰减，使得驱动电流iD在频谱的这些位置处远低于线圈电流iL61。因此，利用相对较小的驱动电流iD以驱动频率fD1、fD2设定为导纳单元5和驱动线圈L61的谐振频率fRES1、fRES2，或反之亦然，可以达到大的线圈电流iL61。对于在导纳单元5的分支中出现的电流iL51、iL52，可以给出对该有利效果的解释，在导纳单元5的谐振频率fRES1、fRES2处的电流iL51、iL52等于在驱动线圈L61中的线圈电流iL61。导纳单元5在其分支中包含无源元件，例如电感器L51、L52、L5n和电容器C51、C52、C5n，当与驱动线圈L61共振时，使电流在驱动线圈L61和导纳单元5的分支之间循环。有利地，在设定为谐振频率fRES1、fRES2的预定驱动频率fD1、fD2下的功率循环被限制在由导纳单元5和驱动线圈L61形成的环路内，使得驱动点导纳在理想的无损耗系统上为零。因此，通过驱动开关S41、S42、S43、S44(通常是MOSFET)以驱动频率fD1，fD2流动的驱动电流iD将远低于流过驱动线圈L61和导纳单元的分支的线圈电流iL61。除了其它优点之外，还能够将频谱扩展到更低的频率，并且可以驱动低阻抗驱动线圈L61。
在附图中，示出了导纳单元5的优选实施例。然而，优选地选择性地允许达到以限定频率fRES1，fRES2操作的谐振电路的任何其它电路当然也是适用的。
附图标记列表
1 金属探测器
10 发射器单元
11 接收器单元
2 驱动控制器
S2 选择器开关
21 时钟单元
22 地址计数器
23 存储器单元
23A、23B 存储器模块
231、232、233 存储器模块
3 驱动单元
31、31' 驱动元件
32、32' 变换驱动元件
311、312、321、322 放大器
4 转换器
S41、S42、S43、S44 驱动开关
5 导纳单元
50 选择器
C51、C52、C53 导纳电容器
L51、L52、L53 导纳电感器
S51、S52、S53 导纳开关
6 (平衡)线圈系统
L61 驱动线圈
L62、L63 检测线圈
7 输入级
8 相位检测器
9 控制单元/计算机系统
ad 地址信号
fm 时钟信号
fD1、fD2 频率分量
iD 驱动电流
i(ωt) 数学方式计算的驱动电流
iDA 近似三角形信号
iL51 电感器L51中的导纳电流
iL52 电感器L52中的导纳电流
iL61 线圈电流
rs 复位信号
sf 频率选择信号
SPXM 脉冲宽度或脉冲密度调制信号
VD 第一电压电位、第一驱动电压
VS 第二电压电位、第二电压
Claims (15)
1.用于操作金属探测器(1)的方法，所述金属探测器包括用于在产品中产生电磁场的驱动线圈(L61)；以及至少一个检测线圈(L62、L63)，其布置成检测由产品中存在的金属颗粒引起的磁场的波动；以及包括转换器(4)的多频发射器单元(10)，转换器(4)具有根据操作指令由驱动控制器(2)驱动的多个驱动开关(S41、S42；S43、S44)，使得驱动开关(S41、S42；S43、S44)交替地引导驱动电流(iD)通过驱动线圈(L61)，从而使得产生的电磁场呈现出两个或更多个不同的频率分量(fD1、fD2)；该方法包括以下步骤：
-对于至少两个不同的频率分量(fD1、fD2)确定驱动电流(iD)的波形；
-确定至少一个PXM信号(SPXM)，其是对应于所确定的驱动电流(iD)的波形的调制脉冲序列，所述至少一个PXM信号(SPXM)是脉冲宽度调制信号或脉冲密度调制信号；
-根据所提供的操作指令，选择在线确定的或存储在存储器模块(231；232)中的至少一个确定的PXM信号(SPXM)；和
-生成并应用所述至少一个确定的PXM信号(SPXM)以控制驱动开关(S41、S42；S43、S44)。
2.根据权利要求1所述的用于操作金属探测器(1)的方法，其中，确定所述驱动电流(iD)的波形的步骤包括叠加与所述至少两个不同的频率分量(fD1，fD2)相关的电流分量，所述至少两个不同的频率分量(fD1，fD2)例如是奇数和/或偶数谐波的正弦频率分量(fD1、fD2)。
3.根据权利要求1或2所述的用于操作金属探测器(1)的方法，包括步骤：至少对于驱动电流(iD)中存在的具有最低频率的频率分量(fD1)的循环持续时间确定驱动电流(iD)的波形，并且通过顺序地重复所确定的驱动电流(iD)的波形来产生驱动电流(iD)。
4.根据权利要求1或2所述的用于操作金属探测器(1)的方法，包括步骤：通过将三角形或梯形信号近似为所确定的驱动电流(iD)的波形来确定PXM信号(SPXM)，使得所确定的驱动电流(iD)的波形的最大值和最小值以及三角形信号的最大值和最小值彼此对应和/或重合，并且在三角形或梯形信号的最大值和最小值处为PXM信号(SPXM)的下降和上升沿顺序地定义切换角度(α1、α2、...)。
5.根据权利要求1或2所述的用于操作金属探测器(1)的方法，包括步骤：确定两个或更多个PXM信号(SPXM)，每个信号具有不同的频率分量(fD1；fD2)的组，并在存储器模块(231、232)中存储所述两个或更多个PXM信号(SPXM)，其可选择用于生成和应用存储的PXM信号(SPXM)中的一个。
6.根据权利要求1或2所述的用于操作金属探测器(1)的方法，包括步骤：将PXM信号(SPXM)应用于
-驱动开关(S41、S42；S43、S44)的第一和第二驱动开关(S41、S42)，第一和第二驱动开关(S41、S42)形成半桥电路，该半桥电路在一侧连接到第一电压电位(VD)并且在另一侧连接到第二电压电位(VS)，第一和第二驱动开关(S41、S42)在半桥电路的中心抽头处连接，并且被控制成使得连接到中心抽头的驱动线圈(L61)的第一端交替地连接到第一电压电位(VD)和第二电压电位(VS)，或
-驱动开关(S41、S42；S43、S44)，其被布置为包括第一和第二分支的桥电路，所述第一和第二分支在一侧连接到第一电压电位(VD)并且在另一侧连接到第二电压电位、例如地电位，并且所述第一和第二分支分别包括第一或第二中心抽头，第一或第二中心抽头相应地连接到驱动线圈(L61)的第一和第二端，其中，第一对驱动开关(S41、S42)布置在第一分支中并且在第一中心抽头处彼此连接，并且第二对驱动开关(S43、S44)布置在第二分支中并且在第二中心抽头处彼此连接，并且驱动开关(S41、S42；S43、S44)被控制使得驱动线圈(L61)的第一和第二端交替地连接到第一电压电位(VD)和第二电压电位。
7.根据权利要求1或2所述的用于操作金属探测器(1)的方法，包括步骤：经由驱动单元(3)应用PXM信号(SPXM)以分别控制驱动开关(S41、S42；S43、S44)的输入，驱动单元(3)包括信号驱动元件和/或变换器(31、31'、32、32'、311、312、321、322)。
8.根据权利要求1或2所述的用于操作金属探测器(1)的方法，包括步骤：直接或经由导纳单元(5)将驱动电流(iD)引导至驱动线圈(L61)，该导纳单元(5)与驱动线圈(L61)一起形成在两个或多个不同频率分量(fD1、fD2)中有效的谐振电路，并且在谐振电路中线圈电流(iL61)大于驱动电流(iD)。
9.根据权利要求8所述的用于操作金属探测器(1)的方法，包括步骤：使用至少第一分支和第二分支，第一分支具有在导纳单元(5)中的第一电容器(C51)和第一电感器(L51)，其与驱动器线圈(L61)一起形成第一谐振电路；第二分支具有在导纳单元(5)中的第二电容器(C52)和第二电感器(L52)，其与驱动线圈(L61)一起形成第二谐振电路。
10.根据权利要求8所述的用于操作金属探测器(1)的方法，包括步骤：选择具有频率分量(fD1；fD2)的组的PXM信号(SPXM)并启动导纳单元(5)中的对应于所选择的PXM信号(SPXM)的频率分量(fD1；fD2)的组的谐振电路。
11.金属探测器(1)，其根据权利要求1-10中任一项所述的方法操作。
12.根据权利要求11所述的金属探测器(1)，包括：用于在产品中产生电磁场的驱动线圈(L61)；以及至少一个检测线圈(L62、L63)，其布置成检测由产品中存在的金属颗粒引起的磁场的波动；以及包括转换器(4)的多频发射器单元(10)，转换器(4)具有根据操作指令由驱动控制器(2)驱动的多个驱动开关(S41、S42；S43、S44)，使得驱动开关(S41、S42；S43、S44)交替地引导驱动电流(iD)通过驱动线圈(L61)，从而使得产生的电磁场呈现出两个或更多个不同的频率分量(fD1、fD2)；以及设置在驱动控制器(2)中的存储器单元(23)，在所述存储器单元(23)中存储至少一个PXM信号(SPXM)的数据，所述至少一个PXM信号(SPXM)对应于针对两个或更多个频率分量(fD1、fD2)确定的驱动电流(iD)的波形，其中，至少一个PXM信号(SPXM)是可选择的，以控制多个驱动开关(S41、S42；S43、S44)。
13.根据权利要求11或12所述的金属探测器(1)，其中
根据权利要求1至5中任一项所述的用于操作金属探测器(1)的方法，包括步骤：将PXM信号(SPXM)应用于
-驱动开关(S41、S42；S43、S44)的第一和第二驱动开关(S41、S42)，第一和第二驱动开关(S41、S42)形成半桥电路，该半桥电路在一侧连接到第一电压电位(VD)并且在另一侧连接到第二电压电位(VS)，第一和第二驱动开关(S41、S42)在半桥电路的中心抽头处连接，并且能够被控制成使得连接到中心抽头的驱动线圈(L61)的第一端交替地连接到第一电压电位(VD)和第二电压电位(VS)，或
-驱动开关(S41、S42；S43、S44)，其被布置为包括第一和第二分支的桥电路，所述第一和第二分支在一侧连接到第一电压电位(VD)并且在另一侧连接到第二电压电位、例如地电位，并且所述第一和第二分支分别包括第一或第二中心抽头，第一或第二中心抽头相应地连接到驱动线圈(L61)的第一和第二端，其中第一对驱动开关(S41、S42)布置在第一分支中并且在第一中心抽头处彼此连接，并且第二对驱动开关(S43、S44)布置在第二分支中并且在第二中心抽头处彼此连接，并且驱动开关(S41、S42；S43、S44)能够被控制使得驱动线圈(L61)的第一和第二端交替地连接到第一电压电位(VD)和第二电压电位。
14.根据权利要求11或12所述的金属探测器(1)，其中，所述转换器(4)直接或经由导纳单元(5)连接到驱动线圈(L61)，所述导纳单元(5)与驱动线圈(L61)一起形成两个或更多个谐振电路，每个谐振电路具有至少近似调谐到两个或更多个不同的频率分量(fD1、fD2)中的一个的谐振频率，所述导纳单元(5)优选地包括至少第一分支和第二分支，第一分支具有在导纳单元(5)中的第一电容器(C51)和第一电感器(L51)，其与驱动线圈(L61)一起形成第一谐振电路；第二分支具有在导纳单元(5)中的第二电容器(C52)和第二电感器(L52)，其与驱动线圈(L61)一起形成第二谐振电路。
15.根据权利要求14所述的金属探测器(1)，其中，提供开关装置(50、S51、S52)，其允许根据选择单独启动和停用导纳单元(5)中的谐振电路。
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