DE10128849C1 - Verfahren zur elektromagnetischen Detektion von Objekten mit einem Detektor - Google Patents

Abstract

Verfahren zur elektromagnetischen Detektion von Objekten, insbesondere mit einem batteriebetriebenen Detektor, bei dem eine Folge von Einzelimpulsen ausgestrahlt werden, die das zu detektierende Objekt zur Abstrahlung anregen, die Sekundärsignale empfangen werden, das Abklingverhalten der Sekundärsignale ausgewertet wird und ein von der Intensität und dem Abklingverhalten der Sekundärsignale abhängiges Anzeigesignal ausgegeben wird, wobei die Einzelimpulse durch Veränderung des Spulenstroms in einer Sendespule erzeugt werden. Bei dem Verfahren wird die in der Sendespule vorhandene und beim Stromabbau des jeweiligen Sendeimpulses frei werdende Energie zwischengespeichert und für den nächsten Sendeimpuls wiederverwendet. Dies erfolgt vorteilhafterweise mittels eines oder mehreren Kondensatoren. Dadurch wird die Standzeit eines batteriebetriebenen Detektorgeräts verlängert. Des weiteren ist eine erhöhte Empfindlichkeit bei gleichem Energieverbrauch, eine bessere Einstellung des Stromverlaufs und eine kleinere Bauweise des Geräts möglich.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Dieses Verfahren ist allgemein beispielsweise aus der DE 199 01 174 C1 bekannt. Bei diesem Verfahren wird durch die Aussendung von Einzelimpulsen und dem nachfolgenden Empfang von Sekundärimpulsen eines zu detektierenden Objektes mit Bestimmung einer von der Intensität des Sekundärsignals abhängigen Größe der prinzipielle Nachweis für das Vorhandensein eines Objekts erbracht. Der Betrag dieses nachgewiesenen Intensitätssignals ist auch ein Maß für die Objektgröße und/oder den Abstand des Objektes zum Detektor.

Das Grundprinzip des sogenannten Pulsverfahrens wurde erstmals in der DE-AS 11 80 550 offenbart. Dabei wird bei diesem Verfahren ein Stromimpuls in einer Sendespule erzeugt und die Antwort des Objekts aufgrund der Stromänderung durch einen Detektor erfasst. Dieser ist zumindest während eines Abschnittes der Aufbau- und/oder Abklingzeit des primären Magnetfeldes wegen der auftretenden Hochspannungen getrennt. Die Stromimpulse werden dabei in periodisch größeren Zeitabständen als die Anstiegs- und Abklingzeiten wiederholt. Abhängig von der Abklingzeit des zu detektierenden Objektes ist daher die Pulsdauer ebenfalls von Bedeutung. Es kann daher vorteilhaft sein, diese entsprechend zu variieren, da bei einer kurzen Objektabklingzeit eine längere Pulsdauer ebenso ungeschickt ist wie eine zu kurze Pulsdauer bei einer langen Objektabklingzeit. Auf jeden Fall ist es zweckmäßig auf die drei Phasen eines Stromimpulses, die Anstiegsphase, die Haltephase und die Abbauphase, Einfluss zu nehmen.

Im Prinzip wird bei den Vorrichtungen gemäß des Standes der Technik die Sendespule über einen Schalter mit einer Energiequelle verbunden und nach dem Öffnen des Schalters der Stromkreis unterbrochen. Nach der Unterbrechung des Stromkreises wird die Freilaufspannung an der Spule beispielsweise durch eine Zener-Dioden-Schaltung begrenzt. Der Spulenstrom klingt von seinem Maximalwert auf Null ab. Diese Stromänderung und damit Feldänderung erzeugt im Objekt einen Wirbelstrom. Nach Erreichen des Nullpunktes des Spulenstromes klingt dieser ebenfalls auf Null ab und kann als Objektantwort in Form eines Spannungsimpulses in der Sende/Empfangsspule gemessen werden. Die in der Spule gespeicherte Energie wird in einer derartigen Schaltung verbraucht und in der Regel in Wärme umgewandelt. In der Praxis gibt es verschiedene Varianten dieser Detektorschaltungen mit verschiedenen Vorzeichen der Pulsströme, verschiedenen Auswertungsmechanismen usw.

Bei den für dieses Verfahren verwendeten Pulsgeräten, insbesondere den batteriebetriebenen Pulsgeräten, wird die in der Stromabbauphase von der Spule zurückgeführte Energie, bedingt durch den internen Schaltungsaufbau der Geräte, in Wärme umgewandelt und damit die Standzeit des Geräts reduziert. Die Standzeit wird auch durch höheren Energieverbrauch reduziert, wenn eine höhere Empfindlichkeit für die Messung durch eine Erhöhung der Pulsfrequenz oder Stromstärke erforderlich ist. Bei hohen Pulsströmen und hoher Pulsfrequenz, beispielsweise Pulsgeräten in Fahrzeugen oder bei netzbetriebenen Pulsgeräten kann die Rückspeisung der Energie zu einer unerwünschten Erwärmung des Gerätes führen, die unter Umständen durch zusätzliche Kühlungsmaßnahmen verhindert werden muss.

Aus der DE 197 30 952 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur elektromagnetischen Detektion von Objekten bekannt, womit besonders exakte Messungen und auch eine Ermittlung von sehr kleinen Objekten möglich ist. Dort wird ebenfalls, wie vorstehend bereits diskutiert, von der Sende- und Empfangsspule ein pulsförmiges Mehrsignal ausgesendet und das von dem Objekt zurückgestrahlte Signal wieder empfangen. Die Energieversorgung ist dort nicht näher beschrieben.

Die US 6 188 221 B1 beschreibt ein elektromagnetisches Überwachungssystem für die Bestimmung der Anwesenheit von Flüssigkeiten oder Gasen im Inneren der Erde. Dort ist beschrieben, dass Kondensatoren zur Zwischenspeicherung der Energie verwendet werden. Auch hier erfolgt der übliche Abbau der Energie, so dass die Standzeit bei Batteriebetrieb reduziert wird.

Aus der EP 1 058 132 A1 ist ein Verfahren zur elektromagnetischen Bestimmung von leitfähigen Gegenständen in der Erde erkannt, das ebenfalls auf dem vorstehend beschriebenen Prinzip basiert. Maßnahmen zur Verlängerung eines batteriebetriebenen derartigen Geräts sind dort ebenfalls nicht angegeben.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit vorzuschlagen, mit der die Standzeit eines batteriebetriebenen Detektors wesentlich verlängert bzw. die durch die rückgeführte Energie verursachte Erwärmung vermieden wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Gemäß dem Verfahren wird die in der Sendespule vorhandene und beim Stromabbau des jeweiligen Sendeimpulses frei werdende Energie zwischengespeichert und für den nächsten Sendeimpuls wieder verwendet. Durch diese Maßnahme wird die Standzeit, insbesondere eines batteriebetriebenen Detektors, erheblich erhöht und die frei werdende Energie führt nicht zu einer unerwünschten Wärmeentwicklung. Dadurch können Kühlungsmaßnahmen vermieden und kleinere Geräte gebaut werden.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen näher erläutert. Es stellen dar:

Fig. 1 eine mögliche Schaltungsanordnung zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens und

Fig. 2 ein Impulsdiagramm mit dem zeitlichen Ablauf der Spulenansteuerung mit teilweiser Rückspeisung der Spulenenergie.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Schaltungsanordnung handelt es sich im wesentlichen um eine blockschaltbildmäßige Darstellung, da sich hinter den einzelnen Elementen wiederum dem Fachmann geläufige Schaltungsanordnungen befinden können, die die gewünschte Funktion in der für den gesamten Schaltungsprozess erforderlichen Präzision durchführen können.

An dem Kondensator C1 liegt die eingespeiste Eingangsspannung U1 an. Parallel zu diesem Kondensator C1 ist ein Schalter S1, eine Diode D1 und eine Parallelschaltung aus der Reihenschaltung eines Schalters S2 mit dem Widerstand R1 und dem Schalter S7 mit dem Widerstand R4 angeordnet. Parallel zu der Reihenschaltung der Schalter S2 und des Widerstandes R1 bzw. des Schalters S7 und des Widerstandes R4 befindet sich die Sendespule L1. An dieser wird über den Schalter S3 und einen Verstärker V1 die Ausgangsspannung UA abgegriffen. Parallel zu der Sendespule L1 befindet sich des weiteren eine Reihenschaltung aus dem Schalter S5 und der Diode D2, die mit ihrer Anode bei geschlossenem Schalter S5 auf Masse liegt. Parallel zur Diode D2 ist ein Kondensator C2 und ein Schalter S4 angeschlossen, wobei der Kondensator C2 mit der positiven Elektrode über den Schalter S4 an die Kathode der Diode D2 oder über den Schalter S6 auf Massepotential legbar ist. Parallel zu dem Schalter S6, der die positive Elektrode des Kondensators C2 mit der Masse verbindet, befinden sich ein Spannungsteiler aus den Widerständen R2 und R3, wobei an dem Widerstand R3 die Spannung U2 abgegriffen werden kann.

In der Fig. 2 ist der zeitliche Ablauf der Spulenansteuerung dargestellt und zeigt die Schalter S1 bis S6 sowie den Strom IL1 durch und die Spannung UL1 an der Sendespule L1. Zum Zeitpunkt t = t1 liegen die Anfangsbedingungen vor, beispielsweise eine konstante Eingangsspannung U1 = 10 V und eine Spannung UC2 an dem Kondensator von 400 V. Zum Zeitpunkt t1 < t < t2 sind alle Schalter bis auf den Schalter S6 geöffnet. Damit haben der Strom IL1 und die Spannung UL1 den Wert 0. Zum Zeitpunkt t = t2 wird der Schalter S6 geöffnet und nach einer Wartezeit bis zum Zeitpunkt t3 für den Schalter S5, damit die Schalter S5 und S6 nicht gleichzeitig leitend sind, werden zum Zeitpunkt t = t3 die Schalter S1, S4 und S5 geschlossen, so dass der Kondensator C2 parallel zu L1 liegt. In dem Zeitraum t3 < t < t4 erfolgt somit ein Stromfluss von der positiven Elektrode des Kondensators C2 über den Schalter S4, die Sendespule L1, den Schalter S5 zur negativen Elektrode des Kondensators C2. Damit erfolgt ein steiler, nahezu linearer Stromanstieg in der Sendespule L1 mit der induzierten Momentanspannung UL1 = L.dl/dt. Die Kapazität des Kondensators C2 ist dabei so groß gewählt, dass die Änderung der Kondensatorspannung im Verhältnis zu den dort anliegenden 400 V klein ist. Dies ist der erste Teil der drei Stromphasen, nämlich die Stromanstiegsphase.

Zum Zeitpunkt t = t4 werden die Schalter S4 und S5 geöffnet, so dass in dem Zeitraum t4 < t < t7 der Stromfluss jetzt von der positiven Elektrode des Kondensators C1 über den Schalter S1, die Diode D1, die Sendespule L1 zur negativen Elektrode des Kondensators C1 verläuft. Damit ergibt sich ein flacher Stromanstieg in der Sendespule L1, als zweite Phase in der Sendespule L1 (Haltephase).

In dem Zeitraum t4 < t < t5 kann die Spannung U2 gemessen und der gemessene Wert zur Regelung der Spannung an dem Kondensator C2 verwendet werden. Zum Zeitpunkt t = t5 wird der Schalter S5 geöffnet und, nach einer kurzen Verweilzeit zum Zeitpunkt t = t6 der Schalter S6 geschlossen und dadurch der Strompfad für das nachfolgende Öffnen des Schalters S1 festgelegt.

Zum Zeitpunkt t = t7 wird der Schalter S1 geöffnet und damit der Kondensator C1 von der Sendespule L1 getrennt. Da der Strom IL1 durch die Sendespule L1 weiterfließen muss, fließt dieser nun über den Schalter S6, den Kondensator C2 und die Diode D2. In diesem Zeitraum wird bis auf die Leitungsverluste die in der Spule L1 gespeicherte Energie an den Kondensator C2 übertragen. Wie vorstehend erwähnt, ist die Kapazität von C2 so groß gewählt, dass die Änderung der Kondensatorspannung im Verhältnis zu den dort anliegenden 400 V klein ist (Stromabbauphase). Die Spannung an der Spule UL1, die in dem Zeitraum t4-t7 auf einer Haltespannung lag, wird zum Zeitpunkt t7 auf einen negativen Wert umgepolt. Zum Zeitpunkt t = t8 wird der Schalter S2 geschlossen und in dem Zeitraum t8 < t < t9 wird über den Dämpfungswiderstand R1 parallel zur Spule L1 die Restenergie in der Spule L1 aperiodisch gedämpft. Zum Zeitpunkt t = t9 wird der Schalter S3 geschlossen, so dass in dem nachfolgenden Zeitraum t9 < t < t10 die Auswertung der Objektantwort stattfindet; der Vorverstärker ist mit der Spule verbunden.

Durch Ändern der Dauer des flachen Stromanstiegs in dem Zeitraum t4 < t < t7 und/oder durch Verändern der geregelten Versorgungsspannung U1 kann die Spannung an dem Kondensator C2 auf einen festen Wert geregelt werden. Hierzu wird die Spannung U2, wie vorstehend angegeben, in dem Zeitraum t4 < t < t5 gemessen, vorzugsweise digitalisiert und dann U1 oder die Dauer der Haltephase entsprechend verändert.

Optional kann durch ein kurzzeitiges Schließen des Schalters S7 die Spannung an dem parallel zur Spule liegenden parasitären Kondensator im richtigen Zeitpunkt in einer Umgebung zum Zeitpunkt t8 kurzgeschlossen werden, um dadurch den aus der Spule und ihren parasitären Parallelkondensator gebildeten Schwingkreis schneller in die Ruhelage zu bringen. Der Widerstand R4 hat dabei nur eine Schutzfunktion und ist wesentlich kleiner als der Widerstand R1. Es kann sinnvoll sein, den Schalter S7 nach der Zeit tx = 1/(4f), wobei f die Eigenfrequenz des genannten Schwingkreises ist, erneut kurzzeitig zu schließen, um so unabhängig von der Phasenlage des ausklingenden Signals die Ruhelage schneller zu erreichen. Bei Verwendung dieser "Schnellstopp-Methode" wird der Schalter S2 vorzugsweise erst mit dem Schalter S7, gegebenenfalls beim zweiten mal, eingeschaltet.

Bei dem Ausführungsbeispiel wirkt die Sendespule auch als Empfangsspule. Selbstverständlich können auch eine oder mehrere Empfangsspulen verwendet werden.

Claims (7)

1. Verfahren zur elektromagnetischen Detektion von Objekten mit einem batteriebetriebenen Detektor, bei dem eine Folge von Einzelimpulsen ausgestrahlt werden, die das zu detektierende Objekt zur Abstrahlung anregen, die Sekundärsignale empfangen werden, das Abklingverhalten der Sekundärsignale ausgewertet wird und ein von der Intensität und dem Abklingverhalten der Sekundärsignale abhängiges Anzeigesignal ausgegeben wird, wobei die Einzelimpulse durch Veränderung des Spulenstroms in einer Sendespule erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Sendespule (L1) vorhandene und beim Stromabbau des jeweiligen Sendeimpulses frei werdende Energie zwischengespeichert und für den nächsten Sendeimpuls wiederverwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen­ energie in einem Kondensator (C2) gespeichert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung eines Sendeimpulses die Sendespule (L1) von der Stromzufuhr getrennt und dadurch ein Spannungsimpuls als Sendeimpuls erzeugt wird, wobei zum schnellen Aufbau des Ladestroms durch die Sendespule (L1) die Kondensatorspannung an die Sendespule angelegt und nach der Entladung des Kondensators (C2) eine Haltespannung an die Sendespule zum weiteren Aufbau des Ladestromes angelegt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Unterbrechung des Ladestroms durch die Sendespule der Sendeimpuls ausgestrahlt wird und der Spulenstrom auf Null abklingt, wobei in dieser Phase die Spulenenergie im wesentlichen an den Kondensator (C2) übergeben wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Anschluss daran und vor der Einleitung eines neuen Ladevorgangs die Objektantwort ausgewertet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung an der Sendespule (L1) am Ende der Stromabbauphase kurzzeitig kurzgeschlossen wird, um den parasitären Kondensator der Sendespule (L1) zu entladen.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiteres Mal nach einer Zeit tx = 1/(4f), mit f = Eigenfrequenz des Schwingkreises aus Sendespule und parasitärem Kondensator, kurzgeschlossen wird.