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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Detektor zur Ortung metallischer
Objekte nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Detektoren
zur Ortung von in Bauwerkstoffen verborgenen, metallischen Objekten
arbeiten derzeit in der Regel mit induktiven Verfahren. Hierbei
wird ausgenutzt, dass sowohl leitfähige als auch ferromagnetische
Werkstoffe die Eigenschaften einer in der Umgebung angebrachten,
elektromagnetischen Spule beeinflussen. Die von metallischen Gegenständen hervorgerufenen
Veränderungen
der induktiven Eigenschaften werden von einer Empfangsschaltung eines
solchen Detektors registriert. Auf diese Weise lassen sich beispielsweise
in einer Wand eingeschlossene, metallische Gegenstände mittels
einer oder mehrerer über
die Wand hinweg geführter
Spulen orten.
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Eine
technische Schwierigkeit bei der Detektion metallischer Objekte
besteht darin, dass die Rückwirkung
der zu ortenden Gegenstände
auf die Spule bzw. Spulen der Detektoranordnung betraglich sehr
klein ist. Dies trifft vor allem für den Einfluss von nicht ferromagnetischen
Objekten, wie beispielsweise dem technisch wichtigen Kupfer, zu.
Dies führt
dazu, dass die induktive Wirkung der Spulen untereinander deutlisch
größer sein
kann, als die durch einen eingeschlossenen Gegenstand erzeugt Induktion
in der Empfangsspule.
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Die
auf einem induktiven Verfahren basierenden Detektoren haben daher
in der Regel einen hohen Offset, d.h. ein hohes an der Empfangsspule des
Detektors abgreifares Signal, welches bereits ohne Einfluss eines
externen, metallischen Gegenstands von der Empfangsschaltung des
Detektors gemessen wird. Ein solcher hoher Offset macht es schwierig,
sehr kleine induktive Änderungen,
welche durch einen in die Nähe
des Detektors gebrachten metallischen Gegenstand verursacht werden,
zu detektieren. Aus dem Stand der Technik sind Sensoranordnungen
für induktive
Sensoren bzw. Detektoren bekannt, die ein Kompensation des durch
die Spulen selbst induzierten Signals ermöglichen.
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Die
Notwendigkeit eine sehr kleine Änderung der
Induktivität
auf einem sehr großen
Offset-Signal zu detektieren, setzt darüber hinaus den Einsatz eng tolerierter
und damit teuerer Bauelemente voraus und erfordert zudem eine sehr
rauscharme Analogelektronik, die die Kosten für ein solches Ortungsgerät deutlich
erhöht.
Nicht eingehaltene Montage- oder Fertigungstoleranzen
sowie ein Driften einzelner Komponenten gegeneinander führen so
unweigerlich zu einer Verfälschung
des Messergebnisses einer solchen Vorrichtung.
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Um
dieser Offsetproblematik zu begegnen, sind im Stand der Technik
verschiedene Ansätze
bekannt, welche alle gemeinsam zum Ziel haben, das Sensorsignal
welches bei Abwesenheit metallischer Objekte vorhanden ist zu reduzieren
und somit die relativen Signaländerungen
zu vergrößern.
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Oft
wird dabei ein mehrstufiger Ansatz gewählt, wobei z.B. in einem ersten
Schritt eine Anordnung von Sensorspulen verwendet wird, welche in der
Lage ist, den Signaloffset im Idealfall bereits vollständig zu
beseitigen, bzw. zu kompensieren. Die in der Praxis erreichbare
Kompensationsgüte
hängt jedoch
vielfach z.B. von Fertigungstoleranzen ab, so dass eine vollständige Beseitigung
des Signaloffsets vielfach ein weiteres Verfahren, gewissermaßen zur Feinkompensation
erforderlich macht.
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Die
bekannten Verfahren zur Kompensation von Fertigungs- bzw. Montagetoleranzen
für induktive
Sensoren in Kompensationsanordnung basieren im wesentlichen darauf
dass die im Detektorsystem induzierten Fehlerspannungen dadurch
kompensiert werden, dass entweder die Geometrie des Erregermagnetfelds
durch einen Abgleichprozess korrigiert wird, oder ein Korrekturspannungssignal
erzeugt wird. Ein Beispiel für
das erstgenannte Kompensationsverfahren liefert dabei die
EP 1092989 , ein Beispiel
für das
zweite Kompensationsverfahren ist durch die
US 5,729,143 gegeben.
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Aus
der
US 5,729,143 ist
ein Detektor bekannt, dessen Ziel es ist, den zuvor angesprochenen Offset
des Messsignals möglichst
weitgehend zu unterdrücken.
Zu diesem Zweck weist der Detektor der
US 5,729,143 eine Sendespule mit einem
Sender, sowie eine Empfangsspule mit einem Empfänger auf. Die Sendespule und
die Empfangsspule des Detektors sind in der Weise miteinander induktiv
gekoppelt, dass sie sich teilweise gegenseitig überlappen. Die Sendespule wird
vom Sender mit einem Wechselstrom gespeist. Diese stromdurchflossene
Sendespule erregt durch ihre induktive Kopplung mit der Empfangsspule
in dieser einen ersten Teilfluss in der Überlappungsfläche der
beiden Spulen und einen zweiten Teilfluss in der restlichen Fläche der
Empfangsspule. Der Abstand zwischen den Zentren von Sendespule und
Empfangsspule kann nun so gewählt
werden, dass sich die beiden Teilflüsse, welche ein entgegengesetztes
Vorzeichen haben, gegenseitig kompensieren. Ist dies der Fall, so
induziert die stromdurchflossene Sendespule – wenn kein externer, metallischer
Gegenstand in der Nähe
der Spulenanordnung vorhanden ist – keinen Strom in der Empfangsspule,
so dass der Empfänger
in diesem Idealfall auch kein Offset-Signal messen würde. Erst wenn
die Spulenanordnung in die Nähe
eines metallischen Gegenstands gebracht wird, werden die von der
Sendespule erzeugten Feldlinien gestört, so dass nun in der Empfangsspule
ein nicht verschwindender Fluss angeregt wird, der ein Messsignal
in der Empfangsspule erzeugt, welches unbeeinflusst von einem Offset-Signal
ist und vom Empfänger
ausgewertet werden kann.
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Dabei
ist der relative Abstand der Zentren von Sendespule und Empfangsspule
ein äußerst kritischer
Parameter, so dass sich die idealer Weise anzunehmende Abwesenheit
einer induzierten Spannung in der Empfängerspule in der Praxis nur
mit großem
Aufwand realisieren lässt.
Es hat sich gezeigt, dass eine hinreichende Kompensation der Flusskomponenten
in der Praxis einer Serienfertigung nicht realisiert werden kann.
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Aus
diesem Grund schlägt
die
US 5,729,143 eine
elektronische Schaltung vor, welche die Kompensation auf elektronischem
Weg nachträglich
erreicht und den Sensor somit auch praktisch nutzbar macht. Das
in der
US 5,729,143 beschriebene
Verfahren arbeitet monofrequent. Erregerseitig wird ein magnetisches
Wechselfeld einer bestimmten Frequenz f generiert und die induzierten
Spannungskomponenten in den Detektorwindungen mit geeigneten, analogen
und digitalen Filtern frequenzselektiv bei eben dieser Frequenz
f ausgewertet werden. Die durch die magnetische Fehlkompensation
von Detektor- und Erregersystem in den Detektorwindungen induzierte
Spannung U(f) bei der Frequenz f verfügt über eine temperaturabhängige Amplitude
und Phasenlage, die zudem zusätzlichen
Exemplarstreuungen unterworfen ist. Das Verfahren der
US 5,729,143 beruht nun darauf analog
zu der in den Detektorwindungen induzierten Spannungen eine Korrekturspannung
hinzuzuaddieren, deren Amplitude und Phasenlage bei der Arbeitsfrequenz
f die Fehlerspannung U(f) gerade kompensiert. Hierzu generiert ein
Mikroprozessor bei der Frequenz f ein in Phase und Amplitude kontrolliertes
digitales Korrektursignal. Die für
die Kompensation erforderliche Amplitude und Phasenlage ist dabei
von der Phasenverschiebung abhängig,
welche durch die Bauelemente der Schaltungen im Erreger- und Detektorzweig
hervorgerufen werden. Das erforderliche Korrektursignal ist damit
aber u. a. auch einer Temperaturdrift unterworfen. Um auch bei Veränderungen
der Arbeitstemperatur die Fehlerspannung U(f) kompensieren zu können, muss
der Mikroprozessor die Phasenlage und Amplitude des Korrektursignals über die
Temperatur nachführen.
Hierzu ist in der Regel eine Rekalibrierung durch den Anwender erforderlich.
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Eine
alternative Methode zur Kompensation einer magnetischen Fehlkompensation
ist aus der
EP 1092989
A1 bekannt. Bei dieser Methode wird, anstatt, dass zur
Detektionsspannung, welche in den Detektorwindungen induziert wird,
eine Korrekturspannung hinzuaddiert wird, mit Korrekturmagnetfeldern
gearbeitet. Hierzu wird das System der Magnetfelderregung nicht
nur durch die primäre
Erregerspule gebildet, sondern es werden zusätzlich Trimm-Windungen und
sogenannte Korrekturwindungen hinzugefügt. Der Unterschied zwischen Trimm-
und Korrekturwindung ist dabei der, dass die Korrekturwindungen
mit der primären
Erregerspule in Reihe geschaltet sind und somit immer mit dem gleichen
Strom durchflossen werden, während
die sogenannten Trimm-Windungen mit einem justierbaren Bruchteil
des in den Korrektur- und Erregerspulen fließenden Stroms beschickt werden
können.
Auf diese Art kann erreicht werden, dass sich bei Abwesenheit metallischer
Objekte in der Umgebung des Sensors in den Detektorspulen keine
induzierte Spannung ergibt. Das Verfahren der
EP 1092989 A1 hängt dabei
wesentlich weniger von Bauelementetoleranzen und Driften in den
Sende- und Empfangsschaltungen
ab. Darüber
hinaus ist die Messung nicht auf eine ausgewählte Arbeitsfrequenz begrenzt, da
die Kompensation weitgehend unabhängig von der verwendeten Frequenz
ist. Der Aufbau eines Sensors gemäß der
EP 1092989 A1 wird demgegenüber jedoch
wesentlich komplexer. Während
der Sensor der
US 5,729,143 mit
nur je einer Spule für den
Sende- und Empfangskreis auskommt, benötigt der Aufbau der
EP 1022989 A1 im
Erregerpfad zehn Spulen sowie vier Spulen für den Detektorpfad.
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Aus
der
DE 101 22 741 A1 ist
ein Detektor zur Ortung metallischer Gegenstände bekannt, der eine Empfangsspule
und eine erste Sendespule aufweist, die induktiv miteinander gekoppelt
sind. Damit ein möglichst
geringes Offset-Signal im Detektor entsteht, ist eine zweite Sendespule
vorhanden, die ebenfalls mit der Empfangsspule induktiv gekoppelt ist.
Die Empfangsspule und die beiden Sendespulen sind konzentrisch auf
einer gemeinsamen Achse angeordnet, wobei die beiden Sendespulen
bezüglich ihrer
Windungszahlen und/oder ihrer Abmessungen so dimensioniert sind,
dass sich die von den beiden Sendespulen in der Empfangsspule angeregten Flüsse gegenseitig
kompensieren.
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In
der Regel ist bei den Geräten
des Standes der Technik jedoch vor dem Start einer jeden Ortungsmessung
eine Kalibrierung des Sensors erforderlich, bei welcher der Offset
bei Abwesenheit externer, metallischer Objekte vermessen wird und
anschließend
die Abweichung von diesem Referenzwert als Indikator für die Anwesenheit
metallischer Gegenstände
gewertet wird. Dieser zeit-raubende Kalibrierungsprozess beinhaltet
zudem ein großes Fehler-
und Schadens-potential bei Fehlbedienung eines Anwenders.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von den Detektoren
des Stands der Technik einen Detektor der eingangs genannten Art
anzugeben, welcher ein möglichst
geringes Offset-Signal erzeugt, wobei eine Fehlplatzierung der Spulen
einen möglichst
geringen Einfluss auf den Offset hat.
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Darüber hinaus
ist es Aufgabe der Erfindung, eine Sensorgeometrie zu realisieren,
deren Eigenschaften mit der Umgebungstemperatur sich nur geringfügig ändern, so
dass auch ohne Kalibrierungsprozesse gute Messergebnisse mit einem
solchen Detektor möglich
werden.
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Die
der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird gelöst durch einen Detektor zur
Ortung metallischer Objekte mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Vorteile der
Erfindung
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Der
erfindungsgemäße Detektor
zur Ortung metallischer Objekte weist eine Sendespule und zumindest
zwei Empfangsspulen auf, die induktiv miteinander gekoppelt sind.
Dabei sind die zumindest zwei Empfangsspulen koaxial zueinander,
in einer Ebene angeordnet. Die dritte, als Sendespule arbeitende
Spule befindet sich in einer dazu versetzten, d. h. in einer Z-Richtung
verschobenen, parallelen zweiten Ebene. Benachbart, d. h. in der
Nähe der
Sendespule sind Kompensationswindungen mindestens einer Empfangsspule
ausgebildet.
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Dabei
werden Anzahl und Position der jeweiligen Kompensationswindungen
so dimensioniert, dass die Abhängigkeit
der induzierten Spannung im Detektorspulensystem von einer Fehlpositionierung der
Erregerspule in der Höhe,
d. h. in Z-Richtung, möglichst
genau kompensiert wird. Eine geringfügige Fehlpositionierung der
Erregerspule in Z-Richtung wirkt
sich auf die in den Empfangswicklungen in der Summe induzierte Spannung
somit nicht mehr aus.
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Bei
einer solchen Detektorgeometrie ergibt sich eine deutlich reduzierte
Toleranzempfindlichkeit bezüglich
der Positionierung der Erregerspule in ihrer Höhe (Z-Richtung) über der Ebene der Empfangsspulen.
Zusätzlich
zu den Empfangswindungen der Empfangsspule im Außenbereich der Sendespule werden
hierbei direkt unter der Erregerspule die Kompensationswindungen
angeordnet.
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Bei
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Detektors
sind die Kompensationsspulen mit einem Höhenversatz in Z-Richtung und
dabei insbesondere unterhalb der Sendespule angeordnet.
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Zur
genauen Einstellung der Kompensation der in den beiden Detektionsspulen
induzierten Spannungen ist es erforderlich, zu berücksichtigen, dass
die Detektorspulen nicht nur induktiv wirken, sondern ebenfalls
einen nicht verschwindenden, kapazitiven Belag aufweisen. Detektorspulen
für Ortungsgeräte werden üblicher
Weise mit Hilfe von Kupferlackdraht gefertigt. Der Isolationslack
besitzt typischer Weise nur eine geringe Dicke in der Größenordnung
von einigen wenigen Mikrometern. Zwei nebeneinander liegende Wicklungen
wirken somit nicht nur als Induktivität, sondern in einem gewissen Maße auch
als Kondensator. Durch die geringe Isolationsdicke bei Verwendung
von Lackdraht kann die parasitäre
Kapazität
nicht zu vernachlässigende Werte
annehmen. Dies ist insbesondere bei mehrlagig gewickelten Spulen
der Fall. Da zur Realisierung optimaler Kompensationsgeometrien
die Bestimmung der Induktivität
bis in die Größenordnung
von einem ppm wichtig wird, kann der kapazitive Einfluss auch bei
Verwendung von Frequenzen von lediglich einigen kHz nicht mehr vernachlässigt werden.
Hierbei gilt zu beachten, dass die über die parasitären Kondensatoren
schließenden
Ströme
innerhalb der anderen Windungen der Spule hochtransformiert werden
und somit in Summe zu einer bedeutenden Störspannung führen können. Die parasitäre Kapazität ist dabei
einer bedeutenden Temperaturdrift ausgesetzt, da die Dielektrizitätskonstante
des Isolationslacks thermisch nicht stabil ist. Dies gilt insbesondere
bei Verwendung sogenannten Backlacks.
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Eine
deutliche Reduzierung des störenden Kapazitätseffekts
lässt sich
beispielsweise dadurch erreichen, dass zur Isolation der einzelnen
Kupferwindungen nicht Lack eingesetzt wird, sondern geeignete andere
und vor allem dickere Isolationsmittel. Als besonders geeignet erscheint
hierbei vor allem Papier, Baumwolle sowie Isolationskunststoffe,
wie sie in Kabeln eingesetzt werden.
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In
vorteilhafter Weise sind die Empfängerspulen planar ausgebildet,
d. h. mit lediglich einer einlagigen Wickelgeometrie versehen. Auf
diese Weise ist es möglich,
den Kapazitätsbelag
der beiden Empfänger-
bzw. Detektorspulen auf einfache Weise zu reduzieren. Die planare,
einlagige Wickelgeometrie ermöglicht
es, den Abstand von Windung zu Windung groß zu halten und damit den parasitären Kapazitätsbelag
der Spulenwicklung zu reduzieren. Zudem sollte sichergestellt sein,
dass der verbleibende Kapazitätsbelag
thermisch invariant ist, so dass eine Temperaturdrift der parasitären Kapazität der Spule nicht
auftreten kann.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Detektors
sind die Empfangsspulen als Printspulen auf einer Leiterplatte einer
gedruckten Schaltung ausgebildet. In diesem Fall ergeben sich keine
weiteren Kosten für
die Fertigung der Detektorspulen. Die Ausführung der beiden Detektorspulen
als Leiterbahnstrukturen auf einer Leiterplatte hat neben den nahezu
verschwindenden Kosten weiterhin den Vorteil, dass die Dimensionstoleranz
der Windungen sehr gering ist. Es bereitet technisch keine großen Probleme,
Kupferstrukturen auf Leiterplatten mit einer Genauigkeit von 25
Mikrometern zu fertigen.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Detektors
sind die Kompensationswindungen der Empfangsspulen auf zwei gegenüberliegenden
Seitenflächen
einer Leiterplatte ausgebildet. Hierbei werden die im und entgegen
dem Uhrzeigersinn gewickelten Kompensationswindungen auf zwei Seiten
der Leiterplatte aufgebracht. Dadurch, dass die innenliegenden Kompensationswindungspaare
praktisch den gleichen Radius aufweisen, wird die Richtcharakteristik
des Detektors bei großen
Abständen
zu metallischen Objekten nicht verfälscht. Auf diese Weise ist
es möglich,
die Kompensationswindungen unterhalb der Erregerspule anzuordnen,
ohne dass die Richtcharakteristik des induktiven Sensors verfälscht wird.
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In
vorteilhafter Weise ist die Sendespule des erfindungsgemäßen Detektors
auf einem Wickelkörper
aufgebracht, der bei der Montage anschließend auf der Leiterplatte befestigt,
beispielsweise aufgelötet
oder eingeclipst wird. Die Wicklungen der Erregerspule befinden
sich somit in einer bestimmten, definierten Höhe oberhalb der Leiterplatte
und somit oberhalb der Ebene der Empfangsspulen. Der die Wicklungen
der Sendespule tragende Wickelkörper dient
somit in vorteilhafter Weise auch als Abstandshalter der Sendespule
bzw. ihrer Wicklungen relativ zu den Empfangsspulen und garantiert
somit einen definierten Abstand von Sende- und Empfangsspulen. In
besonders vorteilhafter Weise wird die Erregerspule elektrisch über in ein
Spritzgussteil eingelassene Kontaktstifte kontaktiert, welche in
dafür vorgesehene
Bohrungen auf der Leiterplatte verlötet werden. Um eine stabile
mechanische Kontaktierung zu ermöglichen,
ist es dabei hilfreich, mehr als die zwei elektrisch benötigten Kontaktstifte
zu verwenden und beispielsweise ein oder zwei Blinde, d. h. elektrisch
nicht kontaktierte Pins zusätzlich
zu setzen. Auf diese Weise kann die Erregerspule durch einen Lötprozess
auch mechanisch präzise
fixiert werden.
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Darüber hinaus
reagiert diese gewickelte Erregerspule unempfindlich auf Fehlplatzierungen,
so dass die Toleranzanforderungen bei der Herstellung und dem Zusammenbau
des Detektors in dieser Hinsicht reduziert werden können.
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Ein
Detektor zur Ortung metallischer Objekte mit der erfindungsgemäßen Sensorgeometrie
benötigt
somit in vorteilhafter Weise nur eine einzelne gewickelte und damit
teuere Erregerspule und macht weitere gewickelte Sensorspulen überflüssig. Darüber hinaus
weist der erfindungsgemäße Detektor eine
gute Richtwirkung der Detektion auf und zeigt nur ein geringfügiges Driftverhalten
bei Temperaturänderungen.
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Die
erfindungsgemäße Sensorgeometrie
mit ihren dargelegten Vorteilen ermöglicht somit insbesondere einen
Detektor, der ohne regelmäßigen Kalibrierungsprozess
gute Messergebnisse liefert.
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Darüber hinaus
lässt sich
eine solche Detektorvorrichtung in oder an einer Werkzeugmaschine, beispielsweise
einem Bohrwerkzeug integrieren, um dem Anwender dieser Maschine
ein sicheres Bohren zu ermöglichen.
So kann der Sensor beispielsweise in einem Bohr- oder Meißelwerkzeug
integriert werden oder als ein mit einem solchen Werkzeug verbindbares
Modul ausgebildet sein. Als ein möglicher Einbauort für den erfindungsgemäßen Sensor
bietet sich in vorteilhafter Weise auch eine Absaugevorrichtung
für Staub
an, die mit der Werkzeugmaschine verbunden ist, oder mit dieser
verbindbar ist, und funktionsbedingt in der Nähe einer zu bearbeitenden Wand
zum Einsatz kommt.
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Zeichnung
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In
der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des
erfindungsgemäßen Detektors
dargestellt, die in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert werden
sollen. Die Figuren der Zeichnung, deren Beschreibung sowie die
Ansprüche
enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Ein Fachmann wird diese
Merkmale auch einzeln betrachten und zu weiteren, sinnvollen Kombinationen
zusammenfassen, die somit als ebenfalls in der Beschreibung offenbart anzusehen
sind.
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Es
zeigen:
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1 den
prinzipiellen Aufbau einer Sensorgeometrie eines Detektors zur Ortung
metallischer Objekte nach dem Stand der Technik in einer schematisierten
Darstellung,
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2 ein
erstes Ausführungsbeispiel
der Spulenanordnung des erfindungsgemäßen Detektors in einer vereinfachten
Darstellung,
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3 eine
schematisisierte Darstellung des funktionalen Zusammenhangs der
im Empfängersystem
induzierte Spannung UE als Funktion der
Position Z der Sendespule oberhalb der Ebene der Empfängerspulen,
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4 ein
zweites Ausführungsbeispiel
der Spulenanordnung des erfindungsgemäßen Detektors in einer zu 2 analogen
Darstellung.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt
den prinzipiellen Aufbau eines Detektors zur Ortung metallischer
Gegenstände nach
dem Stand der Technik. Ein solcher Detektor weist in seiner Sensorgeometrie 10 drei
Spulen auf. Eine erste Sendespule 12, die an einen ersten
Sender S1 angeschlossen ist, eine zweite Sendespule 14,
die an einen zweiten Sender S2 angeschlossen ist, und eine Empfangsspule 16,
die an einem Empfänger
E angeschlossen ist. Jede Spule ist hier als kreisförmige Linie
dargestellt. Die Besonderheit der Anordnung dieser drei Spulen 12, 14, 16 besteht
darin, dass sie alle konzentrisch zu einer gemeinsamen Achse 18 angeordnet
sind. Dabei haben die einzelnen Spulen 12; 14, 16 unterschiedliche
Außenabmessungen,
so dass die Spule 12 in die Spule 14 koaxial zur
Achse 18 einsetzbar ist.
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Die
beiden Sendespulen 12 und 14 werden von ihren
Sendern S1 und S2 mit Wechselströmen entgegengesetzter
Phase gespeist. Damit induziert die erste Sendespule 12 in
der Empfangsspule 16 einen Fluss, der dem von der zweiten
Sendespule 14 in der Empfangsspule 16 induzierten
Fluss entgegengesetzt gerichtet ist. Beide in der Empfangsspule 16 induzierten
Flüsse
kompensieren sich gegenseitig, so dass der Empfänger E kein Empfangssignal
in der Empfangsspule 16 detektiert, falls sich kein externer,
metallischer Gegenstand in der Nähe
der Spulenanordnung 10 befindet. Der von den einzelnen Sendespulen 12 bzw. 14 in
der Empfangsspule 16 erregte Fluss ϕ hängt von
verschiedenen Größen ab, wie
beispielsweise der Windungszahl und der Geometrie der Spulen 12 bzw. 14 und
von den Amplituden der in die beiden Sendespulen 12 bzw. 14 eingespeisten
Ströme
sowie der gegenseitigen Phasenlage dieser Ströme.
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Diese
Größen sind
bei den Detektoren des Standes der Technik letztendlich so zu optimieren, dass
bei Abwesenheit eines metallischen Gegenstands in der Empfangsspule 16,
bei stromdurchflossenen Sendespulen 12 bzw. 14 kein
Fluss bzw. ein möglichst geringer
Fluss ϕ angeregt wird. Bei der Spulenanordnung 10 gemäß 1 sind
die erste Sendespule 12, die an den ersten Sender S1 angeschlossen
ist und eine zweite Sendespule 14, die an einen zweiten
Sender S1 angeschlossen ist koaxial zueinander in einer gemeinsamen
Ebene angeordnet. Die Empfangsspule 16 ist in einer gegenüber den
beiden Sendespulen 12 und 14 versetzten Ebene
angeordnet.
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2 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel einer
Sensorgeometrie 110 eines erfindungsgemäßen Detektors zur Ortung metallischer
Objekte. Dieser optimierte Aufbau für eine Sensorgeometrie verringert
die Toleranzempfindlichkeit bezüglich
der Positionierung der Erregerspule in der Höhe. Die Sensorgeometrie 110 gemäß 2 weist
zwei Empfängerspulen 112 bzw. 114 auf,
die in einer gemeinsamen Ebene 126 koaxial zueinander angeordnet
sind. Mit einem gewissen Abstand z über dieser gemeinsamen Empfängerebene 126 befindet
sich eine Sensorspule 116, die ebenfalls koaxial zu der
Empfängerspule 112 bzw.
der Empfängerspule 114 angeordnet
ist.
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Die
Empfängerspulen 112 bzw. 114 besitzen eine
planare, einlagige Wickelgeometrie. Eine solche Ausbildung der Empfängerspulen 112, 114 eröffnet die
Möglichkeit,
den Kapazitätsbelag
der beiden Empfängerspulen
auf einfache Weise zu reduzieren. Hierbei ist es möglich, den
Abstand von Windung zu Windung groß und damit den parasitären Kapazitätsbelag
der Spulenwicklung klein zu halten. Zur Isolation der einzelnen
Kupferwindungen kann beispielsweise nicht, wie üblicherweise vorgsehenn, ein
Lack eingesetzt werden, sondern geeignete, andere und vor allem
dickere Isolationsmittel. Als geeignet erscheinen vor allem Papier,
Isolationskunststoffe, wie sie bei Kabeln eingesetzt werden. Eine
weitere Methode zur Verringerung des Kapazitätsbelages besteht darin, Mehrkammer-Wicklungen
für die
Spulen 112 bzw. 114 zu benutzten.
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Bei
Verwendung einer planaren Geometrie ist es insbesondere auch möglich, die
beiden Empfängerspulen 112 bzw. 114 als
Printspulen auf der Leiterplatte einer gedruckten Schaltung zu realisieren.
In diesem Fall fallen keine wesentlichen Kosten für die Fertigung
der beiden Empfängerspulen
an. Die Ausführung
der beiden Empfängerspulen 112 bzw. 114 als
Leiterbahnstrukturen auf einer Leiterplatte hat neben den verschwindenden
Kosten zudem den Vorteil, dass die Dimensionstoleranz der Windungen
sehr gering ist. Es bereitet technisch keinerlei Probleme, Kupferstrukturen
auf Leiterplatten bis auf 25 Mikrometer genau zu fertigen.
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2 zeigt
einen solchen Aufbau in schematischer Weise. Hierbei ist zur besseren
Sichtbarkeit die Z-Achse 120 relativ zu den X- und Y-Achsen 122 bzw. 124 gedehnt.
Zur Verdeutlichung dieser Darstellung befinden sich entsprechende
Maßzahlen
an den jeweiligen Achsen, die jedoch keine Absolutwerte, sondern
lediglich die relative Größe der Skalierung der
einzelnen Achsen in diesem Ausführungsbeispiel in
beliebigen Einheiten vermitteln soll. Weiterhin wurde in 2 zur
besseren Sichtbarkeit der Querschnitte jeweils ein Segment aus den
Spulen ausgeschnitten.
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In
einer Ebene 126, die eine nicht weiter dargestellte Leiterplatte
symbolisieren soll, und in 2 von der
X-Achse 122 und der Y-Achse 124 aufgespannt wird,
liegen die beiden Detektorspulen 112 bzw. 114.
Diese Ebene 126 kann dabei beispielsweise der Ober- oder
der Unterseite der Leiterplatte entsprechen. Die Windungen 115 der
Empfängerspule 114 sind
dabei beispielsweise im Uhrzeigersinn gewickelt, während die
weiter außen
liegenden Windungen 113 der Empfängerspule 112 entgegen
dem Uhrzeigersinn orientiert. Die in diesen Windungen 113, 115 induzierten
Spannungen haben somit entgegengesetztes Vorzeichen und kompensieren
sich bei geeigneter Dimensionierung im Falle der Abwesenheit externer
metallischer Objekte vollständig.
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Oberhalb
der Ebene 126 der Leiterplatte, d.h. in Z-Richtung 120 versetzt,
befindet sich eine Erreger- bzw. Sendespule l16. Besonders
vorteilhaft ist es, wenn die Sendespule auf einem Wickelkörper gefertigt
wird, der anschließend
auf die Leiterplatte 126 aufgelötet wird. Die Wicklungen 117 der
Sendespule 116 befinden sich somit in einer bestimmten,
vordefinierten Höhe
z oberhalb der Leiterplattenebene 126. Wegen der erforderlichen
Stabilität
ist die Fertigung von Wickelkörpern
mit Wandstärken
unterhalb von einem Millimeter kritisch. Daher sind Abstände von einem
Millimeter und mehr zwischen Leiterplatte und Sendespule 116 anzustreben.
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Der
in
2 gezeigte Aufbau ist bezüglich einer Fehlpositionierung
der Sendespule
116 in radialer, d. h. X- bzw. Y-Richtung
122 bzw.
124 wenig
kritisch, wie dies im Stand der Technik, beispielsweise in der
DE 10122741 A1 aufgezeigt
worden ist. Zur zusätzlichen
Kompensation von Fehlpositionierungen in Z-Richtung
120 weist
die erfindungsgemäße Sensorgeometrie
110 gemäß
2 zusätzlich zu
den aus dem Stand der Technik bekannten Empfangswindungen
115 bzw.
113,
die im Außenbereich
des Sensors angeordnet sind, direkt unter der Sendespule
116 Kompensationswindungen
130 bzw.
132 auf. Im
Ausführungsbeispiel
der
2 bestehen diese Kompensationswicklungen aus zwei
Windungen
132 im und einer Windung
130 entgegen
dem Uhrzeigersinn. Zudem kann die Kompensationswirkung durch die
Anpassung der Radien der Kompensationswindungen
130 bzw.
132 optimiert
werden. Anzahl und Position der Kompensationswindungen sind dabei
so dimensioniert, dass die Abhängigkeit
der induzierten Spannung im Empfängerspulensystem
114 mit
Empfangswindungen
115 und Kompensationswindungen
130 bzw.
im Empfängerspulensystem
112 mit
Empfangswindungen
113 und Kompensationswindungen
132 bezüglich einer
Fehlpositionierung der Sendespule
116 in z-Richtung
120 kompensiert
wird. Die Kompensationswindungen
130 bzw.
132 sind
unterhalb der Sendespule
116 in der gleichen Ebene
126 angeordnet,
wie die Empfangsspulen
112 und
114 und verlaufen
zu diesen koaxial. Die Radien der Kompensationswindungen
130 bzw.
132 sind
daher unterschiedlich jedoch kleiner gewählt als die Radien der Empfängerspulen
112 und
114,
so dass die Kompensationswindungen
130 bzw.
123 nahezu
unter der Sendespule
116 liegen. Die Kompensationswindungen
können
dadurch ebenfalls als Printstrukturen auf der gemeinsamen Leiterplatte
realisiert werden. Radien für
die Kompensationsspulen
130 bzw.
132 können jedoch
auch größer oder
kleiner sein, als der Radius der Windungen
117 der Sendespule
116.
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Diese
Kompensation geschieht dadurch, dass der aufgrund der größeren Entfernung
geringere Einfluss der Fehlpositionierung der Sendespule 116 auf
das Windungssystem 113 der Empfangsspule 112 dadurch
ausgeglichen wird, dass in sehr geringem Abstand unter der Sendespule 116 ebenfalls Empfängerkompensationswindungen 132 der
Empfangsspule 112 gesetzt sind. Diese Kompensationswindungen 132 werden
von einer Verschiebung der Sendespule 116 um so mehr beeinflusst.
Eine geringfügige
Fehlpositionierung der Sendespule 116 wirkt sich auf die
in den Empfangswicklungen in der Summe, d. h. einschließlich ihrer
Kompensationswindungen 130 und 132, induzierte
Spannung somit nicht mehr aus. Dies gelingt idealer Weise selbstverständlich nur
für ein
enges Fenster im Bereich der eigentlich vorgesehenen Z-Position
der Sendespule 116. Die Forderung an die Fertigungstoleranz
der Wandstärke
eines Wickelkörpers
für die
Sendespule 116 kann so beispielsweise auf realisierbare
+/– 0,1
mm verringert werden.
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Dieser
Zusammenhang ist schematisch in 3 dargestellt,
welcher die im Empfängersystem induzierte
Spannung UE als Funktion der Position z der
Sendespule 116 oberhalb der Ebene 126 der Leiterplatte
zeigt. Die Kurve 140 zeigt die Änderung der induzierten Spannung
im Empfängerkreis
als Funktion der Verschiebung der Sendespule bei einer Sensorgeometrie
ohne erfindungsgemäße Kompensationswicklungen.
Die Kurve 142 gibt den prinzipiellen Verlauf dieser funktionalen
Abhängigkeit
mit optimierter Anzahl und Position von Kompensationswindungen für das Empfängersystem
entsprechend der Erfindung wieder. Im Bereich der vorgesehenen Position
z0 der Sendespule 1 16 weist
die induzierte Spannung UE als Funktion
der z-Position 120 der Sendespule 1 16 eine
lokale Null-Stelle zweiter Ordnung auf, so dass sich eine wesentlich
reduzierte Toleranzanforderung für
die Positionierung der Sendespule 116 in z-Richtung ergibt.
Die so erreichte höhere
Fertigungsfreundlichkeit bei einer Sensorgeometrie 110 gemäß dem Ausführungsbeispiel
der 2 wird jedoch dadurch erkauft, dass durch das Hinzufügen der
Kompensationswindungen 130 bzw. 132 unterhalb
der Erregerspule 116 die Richtcharakteristik des induktiven
Sensors negativ beeinflusst wird.
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4 zeigt
in einem alternativen Ausführungsbeispiel
einer Sensorgeometrie 210 für den erfindungsgemäße Detektor
zur Ortung metallischer Objekte einen Kompensationsaufbau, welcher
das Problem der verfälschten
Richtcharakteristik deutlich verbessert. Bei diesem Ausführungsbeispiel
werden die im bzw. entgegen dem Uhrzeigersinn gewickelten Kompensationswindungen 230 bzw. 233 auf
zwei unterschiedlichen Seiten beispielsweise einer Leiterplatte,
die durch die Ebene 226 angedeutet sein soll, aufgebracht.
Eine solche Leiterplatte muss dabei also mindestens zweilagig ausgeführt werden.
Dadurch, dass die innenliegenden Kompensationswindungspaare dann
mit nahezu gleichem Radius ausgebildet werden können, wird die Richtcharakteristik des
Sensors bei großen
Abständen
zu metallischen Objekten nicht mehr verfälscht. Da der Radius der Kompensationswindungen 230 bzw. 232 nun
nahezu gleich ist, wird deren jeweilige Windungszahl genutzt, um
eine optimierte Anpassung der Positionierungstoleranz für die Sendespule 216 zu
ermöglichen.
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Die
verbesserte Richtcharakteristik des erfindungsgemäßen Detektors
gemäß 4 kann
man sich anschaulich durch das folgende qualitative Argument erklären. Würde man
die Empfängerwindungen 215 und 230 bzw. 213 und 232 bestromen,
so wird durch die innen liegenden und auf die Ober- und Unterseite
der Leiterplatte 226 verteilten Kompensationswindungen 230 bzw. 232 eine
Fehlcharakteristik generiert, welche in guter Näherung einem magnetischen Quadropol
entspricht. Das Feld verschwindet in Abständen, die groß zum Abstand
der beiden Kompensationswicklungssysteme 230 bzw. 232 auf Ober-
und Unterseite der Leiterplatte 226 sind, somit mit zunehmender
Distanz sehr schnell. Bereits in einem Abstand von ungefähr einem
Zentimeter zur Leiterplatte tragen die innen liegenden Kompensationswindungen 230 und 232 nicht
mehr merklich zum Gesamtmagnetfeld bei. Diese für die Nutzung der Empfangswindungen
zur Magnetfelderzeugung gültigen Überlegungen
lassen sich auch auf die sich ergebenden Empfangscharakteristiken übertragen.
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Während die
Kompensationswindungen 230 bzw. 232 gemäß 4 nur
zu einer geringfügigen Deformation
der Empfangscharakteristik führen,
ist ihr Einfluss auf die in den Empfangswindungen 215 bzw. 213 induzierte
Spannung nicht zu vernachlässigen.
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Die
Sendespule 216 befindet sich in einem Abstand von ca. 1
mm oberhalb der Leiterplatte, wobei dieser Abstand in etwa gleich
groß ist,
wie die Dicke der Leiterplatte selbst.
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Durch
Anwendung dieser Kompensationsmaßnahmen ist es möglich, die
Anforderungen an die Mechaniktoleranzen des Wickelkörpers der
Erregerspule noch weiter zu reduzieren. In besonders vorteilhafter
Weise wird die Erregerspule elektrisch über in ein Spritzgussteil eingelassene
Kontaktstifte kontaktiert, welche in dafür vorgesehene Bohrungen auf
der Leiterplatte des Detektors verlötet werden. Um eine stabile
mechanische Kontaktierung zu ermöglichen, ist
es hilfreich, mehr als die zwei elektrisch benötigten Kontaktstifte zu verwenden,
beispielsweise indem ein oder zwei blinde, d. h. elektrisch nicht
kontaktierte Pins zusätzlich
hinzugefügt
werden. Auf diese Art und Weise kann die Erregerspule durch den
Lötprozess
auch mechanisch präzise
fixiert werden.
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Der
erfindungsgemäße Detektor
zur Ortung metallischer Objekte mit den vorgestellten Detektorgeometrien
ermöglicht
es in vorteilhafter Weise, dass lediglich eine einzelne gewickelte
und daher teuere Sendespule benötigt
wird. Weitere gewickelte Sensorspulen sind somit überflüssig. Darüber hinaus
ermöglicht
die vorgestellte Sensorgeometrie eine gute Richtwirkung der Detektion
bei deutlich reduzierten Anforderungen an die Fertigungstoleranzen
bezüglich
einer Fehlplatzierung insbesondere der Sendespule. Aufgrund der
erfindungsgemäßen Ausgestaltung
der Sensorgeometrie liefert der erfindungsgemäße Detektor zur Ortung metallischer
Objekte auch ohne Kalibrierprozess gute Messergebnisse.
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Der
erfindungsgemäße Detektor
zur Ortung metallischer Objekte ist nicht auf die in den Figuren dargestellten
Ausführungsbeispiele
beschränkt.
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Insbesondere
ist der erfindungsgemäße Detektor
nicht beschränkt
auf kreisförmige
Spulen. Abweichend von den in den Figuren dargestellten Spulenanordnungen
kann jede Spule oder einzelne Spulen eine vom Kreis abweichende
Form haben und aus einer oder auch mehreren Windungen bestehen.
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Der
erfindungsgemäße Detektor
zur Ortung metallischer Gegenstände
ist nicht auf die Verwendung einer Sendespule und zweier Empfangsspulen begrenzt.