DE102009021804A1

DE102009021804A1 - Metalldetektor

Info

Publication number: DE102009021804A1
Application number: DE102009021804A
Authority: DE
Inventors: Gerd Reime
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-05-18
Filing date: 2009-05-18
Publication date: 2010-11-25

Abstract

Ein Sensor zur Ortung metallischer Objekte sowie ein zugehöriges Verfahren umfassen wenigstens eine Sendespule (2.1, 2.2) und wenigstens eine Empfangsspule (1.9), welche induktiv miteinander gekoppelt und zur Wechselwirkungsentkopplung teilweise überlappend angeordnet sind, wobei ein Punkt optimaler Auslöschung der Wechselwirkung erreichbar ist. Dadurch, dass mehrere, von der Sensorelektronik bestromte Sendespulen (2.1, 2.2) vorgesehen sind, dass die Sendespulen bei gleicher Bestromung eine Wirkung auf die wenigstens eine Empfangsspule (1.9) ausüben, bei der ein örtlicher Punkt der optimalen Auslöschung entsteht, während bei Bestromung einer ersten Sendespule (2.1) der Punkt der optimalen Auslöschung sich in eine erste Richtung verschiebt, während bei Bestromung einer weiteren Sendespule (2.2) der Punkt der optimalen Auslöschung sich in eine der ersten Richtung entgegengesetzten Richtung verschiebt, und dadurch, dass eine Regelschaltung zur Regelung der Ströme der Sendespulen vorgesehen ist, die zu einer Verschiebung des örtlichen Punktes der optimalen Auslöschung führt, die eine Auslöschung des Empfangssignals bewirkt, wird ein einfacher und effektiver Sensor geschaffen.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Ortung metallischer Objekte, insbesondere einen im PI-Modus betriebener Metalldetektor, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruches 1 sowie ein zugehöriges Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruches 10.
Stand der Technik
Ein derartiger im Pulsinduktionsverfahren(PI-)Modus betriebener Metalldetektor ist aus der DE 103 01 951 A9 bekannt. Die Wechselwirkung der primären und sekundäre Spulen wird durch teilweise Überlappung der co-planaren Spulensysteme entkoppelt. Eine Einstellung der Entkopplung erfolgt mittels mechanisch verschiebbarer Massen im Bereich der Überlappung oder durch elektrische Kompensationshilfsmittel z. B. in der Form zusätzlicher Kompensationssignale vom Generator in den Empfangskreis. Sie kompensieren den nicht vollständig entkoppelten Anteil der Sendeenergie in die Empfangsspule. Eine „Rückkoppelung” zwischen detektiertem Signal der Empfangsspule und Kompensationswirkung, also eine geschlossene Regelung liegt nicht vor.
Aus der DE 103 18 350 B3 ist eine vergleichbare Anordnung bekannt, bei der mehrere Spulen hinsichtlich ihres magnetischen Wechselfelds überlappend, benachbart versetzt zueinander geschachtelt sind. Eine größte Spule vorzugsweise die Empfangsspule bestimmt die Peripherie der Spulenanordnung.
Aus der DE 36 19 308 C1 ist eine Umkehrung des oben genannten Prinzips, d. h., eine umliegende Sendespule mit zwei als „Acht” ausgebildeten Empfangsspulen, in denen gegenseitig das ausgesandte Feld ausgelöscht wird.
Aus der DE 43 39 419 C2 ist ein Metalldetektor mit einer Sendespule und einer Empfangsspule bekannt, die sich teilweise so überlagern, dass der Wechselinduktionskoeffizient minimal ist. Die Spulen werden wechselweise als Sende- und Empfangsspule betrieben.
Um ein kapazitives Übersprechen von der Sendespule in die Empfangsspule zu verringern, wenn Sende- und Empfangsspule sehr nah beieinander liegen, so wie es bei Printspulen der Fall ist, wird in der DE 10 2004 047 189 A1 eine Abschirmmaßnahme in Form einer Abschirmelektrode zwischen Sende- und Empfangsspule vorgeschlagen. Zur Feinjustierung sind ferner Hilfswicklungen vorgesehen.
Aus der EP 706 648 B1 ist eine Amplitudenregelung an sich bekannt, bei der Lichtsignale unter Kompensation äußerer Einflüsse wie Fremdlicht-, Temperatur- oder Alterungseinflüsse zwischen Lichtsender und Lichtempfänger dynamisch erfasst werden. Die Lichtsender werden über einen Taktgenerator zeitabschnittsweise und wechselweise betrieben. Das in der Amplitude wenigstens einer Lichtstrecke geregelte Licht wirkt gegebenenfalls mit dem Licht eines weiteren Lichtsenders wie zum Beispiel einer Kompensationslichtquelle so auf den Lichtempfänger ein, dass ein Empfangssignal ohne taktsynchrone Signalanteile entsteht. Das Empfangssignal des Lichtempfängers wird einem Synchrondemodulator zugeführt, der das Empfangssignal wiederum in die den beiden Lichtquellen entsprechenden Signalkomponenten zerlegt. Diese werden in einem Komparator miteinander verglichen, wobei ein einem Nullzustand entsprechendes Signal entsteht. Liegt am Ausgang des Vergleichers kein diesem Nullzustand entsprechendes Signal an, wird dieses Signal als Regelwert verwendet, um die Strahlungsleistung, die den Lichtquellen zugeführt wird, dahingehend zu regeln, bis dieser Zustand erreicht ist.
Aufgabe der Erfindung
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, ein einfachen und effektiven Sensor und ein zugehöriges Verfahren zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch einen Sensor mit den Merkmalen des Anspruches 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruch 10 gelöst.
Der Sensor weist mindestens eine Empfangsspule und mehrere Sendespulen bzw. Sendespulenteile auf, die eine Sendespule in einer bestimmten Weise vorzugsweise als gespiegelte Hälften aufteilen. Durch die Wechselwirkung von mehreren Sendespulen und wenigstens einer Empfangsspule, wobei die Sendespulen teilweise überlappend zur Empfangsspule angeordnet sind, ergibt sich ein örtlicher Punkt optimaler Auslöschung. Die Spulen sind dabei so angeordnet, dass die Sendespulenteile bei gleicher Bestromung eine Wirkung auf die wenigstens eine Empfangsspule ausüben, bei der ein örtlicher Punkt der optimalen Auslöschung entsteht. Dieser Punkt verschiebt sich jedoch bei hauptsächlicher bis alleiniger Bestromung einer ersten Sendespule oder eines ersten Teils der Sendespule in eine erste Richtung, während er sich bei hauptsächlicher bis alleiniger Bestromung einer weiteren Sendespule oder eines weiteren Teils der Sendespule in eine der ersten Richtung entgegengesetzten Richtung verschiebt. Diese Verschiebung wird durch eine Metallannäherung beeinflusst. Eine Regelschaltung zur Regelung der Ströme der Sendespulenteile führt im Regelungsfall zu einer Verschiebung des örtlichen Punktes der optimalen Auslöschung, die eine Auslöschung des Empfangssignals bewirkt. Der dafür erforderliche Regelwert bzw. seine Änderung wird vorzugsweise als Maß für eine Metallannäherung verwendet.
Mit dieser Lösung ergibt sich eine einfache Nachführung der Entkopplung zwischen Sende- und Empfangssystem auch unter ständig wechselnden Umweltbedingungen, wie z. B. bei mechanischen Veränderungen des Spulenkörpers oder Anwesenheit oder Veränderungen von Bodeneffekten. Die vor allem bei einer Regelung nach den Ansprüchen 8 und 16 mögliche hohe Verstärkung der Abweichungen von Takt zu Takt führt zu einem großen Dynamikbereich ab Detektionsgrenze, d. h. höchste Reichweite bis unmittelbarer Nahbereich, in dem Metall auf dem Sensor aufliegt. Dies ist z. B. wichtig für eine „lineare” Anzeige der Entfernung vom Bereich der Detektionsgrenze bis zum unmittelbaren Nahbereich in gleichmäßigen Anzeigeschritten. Die vorzugsweise ständige Rückkopplung des Empfangssignals zur Stromsteuerung in den mindestens zwei Sendespulen führt zur laufenden vollständigen Entkopplung, d. h. zur optimalen Auslöschung des ausgesendeten Signals der Sende spule in die Empfangsspule. Unter Anderem lässt sich der kapazitive Einfluss der Sendespule auf die Empfangsspule kompensieren. Durch die komplementäre Signalansteuerung und nahezu gleiche flächenmäßige Wirkung hebt sich der kapazitive Einfluss der Sendespulen auf die Empfangsspule nahezu auf. „Abschirmmaßnahmen” zwischen Sende und Empfangsspule sind nicht notwendig. Dadurch ist ein kostensparender Aufbau mit einer nur zweilagigen Platine möglich.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele.
Kurzbeschreibung der Figuren
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in den beigefügten Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Sensorsystem nach dem PI Verfahren nach dem Stand der Technik sowie den zugehörigen Amplitudenverlauf an der Empfangsspule,
2 eine Anordnung von zwei gespiegelten Spulenhälften,
3 eine mechanische Anordnung der Spulenhälften zusammen mit einer Empfangsspule,
4 eine Sensorelektronik mit einer geschlossenen Regelung zur Stabilisierung des örtlichen Punktes der optimalen Auslöschung in der Empfangsspule,
5, 6 Verschiebungen des örtlichen Punkts der optimalen Auslöschung bei unterschiedlicher Bestromung der Sendespulenanordnung,
7 ein Diagramm des Regelwerts der Sensorelektronik über der Zeit.
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
Bevor die Erfindung im Detail beschrieben wird, ist darauf hinzuweisen, dass sie nicht auf die jeweiligen Bauteile der Vorrichtung sowie die jeweiligen Verfahrensschritte beschränkt ist, da diese Bauteile und Verfahren variieren können. Die hier verwendeten Begriffe sind lediglich dafür bestimmt, besondere Ausführungsformen zu beschreiben und werden nicht einschränkend verwendet. Wenn zudem in der Be schreibung oder in den Ansprüchen die Einzahl oder unbestimmte Artikel verwendet werden, bezieht sich dies auch auf die Mehrzahl dieser Elemente, solange nicht der Gesamtzusammenhang eindeutig etwas Anderes deutlich macht.
Der in dieser Anmeldung verwendete Begriff „örtlicher Punkt der Auslöschung” bezeichnet den bei einer Überlagerung von wenigstens zwei Spulen fester geometrischer Anordnung entstehenden Punkt auf einer zwischen den Mitten der beiden Sendespulen gedachten Linie, an dem sich die bei Stromfluss durch die beiden Spulen das dabei hervorgerufene Magnetfeld In der Empfangsspule auslöscht.
1 zeigt den Amplitudenverlauf in einem Sensorsystem nach dem PI Verfahren im Stand der Technik an der Empfangsspule 1.9 bei Verschiebung der Sendespule 1.10 bzw. Empfangsspule zueinander. Die Amplitude 1.7. der Empfangsspule ist über der Verschiebung in 1 unten aufgetragen. Die Verschiebung startet bei 1.1 und endet bei 1.5, wobei der dabei im Diagramm zurückgelegte Weg der Verschiebung z. B. +/–5 mm vom Punkt 1.3 der optimalen Auslöschung beträgt.
Wird z. B. die Empfangsspule im Verhältnis zur Sendespule in Richtung des Doppelpfeils 1.6 nach rechts verschoben, nimmt zunächst das empfangene Signal 1.2 ab. Das Signal hat eine taktsynchrone Phasenlage, im angenommenen Beispiel 0°. Bei Erreichen des örtlichen Punktes der optimalen Auslöschung, also des Entkopplungspunktes 1.3 ist das empfangene Signal Null, während das empfangene Signal 1.4 bei weiterer Verschiebung mit um 180° gedrehter Phase wieder ansteigt. Der örtliche Punkt der optimalen Auslöschung ist nur im Laborbetrieb relativ stabil. Fertigungstolleranzen, Temperatureinflüsse, mechanische Deformation der Spulenanordnung oder das Vorhandensein von z. B. Bodeneinflüssen z. B. bei der Metallsuche in metallhaltigen Böden verschieben diesen Punkt. Weiterhin wird der örtliche Punkt auch durch einen in die Nähe gebrachten metallischen Gegenstand verschoben. Die Möglichkeit der mechanischen Position eines Punktes der optimalen Auslöschung ist bei allen oben genannten Einflüssen z. B. in einem Bereich entlang des Doppelpfeils 1.6 zu lokalisieren.
Trotz aller oben genannter Einflüsse soll der Punkt der optimalen Auslöschung mit einfachen Mitteln und einer geschlossenen Regelung immer an exakt der gleichen örtlichen Stelle bleiben. Dies wird durch folgende Maßnahme erreicht:
Die Sendespule 1.10 nach dem Stand der Technik wird geteilt und vorzugsweise so halbiert, dass sich zwei im wesentlichen identische und spiegelbildliche Spulenhälften bilden. Eine andere Aufteilung ist jedoch möglich, wenn damit bei entsprechender Bestromung eine kontinuierliche bzw. stetige und damit nicht ruckartige Verschiebung des örtlichen Punkts der Auslöschung erreichbar ist. 2 zeigt die Anordnung dieser Spulenteile bzw. Spulenhälften 2.1 und 2.2 als Sendespulen mit den Anschlüssen 2.3 für die erste obere Spulenhälfte 2.1 und 2.4 für die zweite untere Spulenhälfte 2.2. Die zwei verbliebenen Anschlüsse der Spulenhälften sind im Ausführungsbeispiel zu 2.5 zusammengefasst. Komplementäre, sich zu einer Spannung ergänzende Spannungen 2.6 und 2.7 an den Anschlüssen 2.3 und 2.4 rufen in beiden Spulenhälften ein Magnetfeld gleicher Polarität hervor. In diesem Fall verhalten sich die beiden Spulenhälften im Wesentlichen wie eine einzige Spule im Stand der Technik. Die Spulenhälften oder besser Spulenteile werden im Folgenden als Sendespulen 2.1, 2.2 bezeichnet
3 zeigt eine mechanische Anordnung der ersten oberen Sendespule 2.1 und der zweiten unteren Sendespule 2.2 zusammen mit der Empfangsspule 1.9. Zur besseren Unterscheidbarkeit ist die Empfangsspule 1.9 gestrichelt gezeichnet. Der Durchmesser der in diesem Ausführungsbeispiel kreisförmigen Empfangsspule 1.9 entspricht etwa dem Durchmesser der halbkreisförmigen Sendespulenteile.
Die horizontale Achse 3.2 der Sendespulenanordnung, welche die beiden Sendespulen 2.1 und 2.2 umfasst, ist gegenüber der horizontalen Achse 3.1 der Empfangsspule 1.9 um den Winkel W gekippt. Daher überdeckt die Sendespule 2.2 die Empfangsspule 1.9 um einen bestimmten Betrag mehr als die Sendespule 2.1. Der Winkel W liegt in der Praxis z. B. im Bereich von 1–10°. Je größer die zu erwartenden Toleranzen, z. B. Temperatureinflüsse, Fertigungstolleranzen usw. sind, um so größer sollte der Winkel W gewählt werden. Zwischen der Anordnung der Sendespulen 2.1, 2.2 und der Empfangsspule 1.9 besteht – im Ausführungsbeispiel vom jeweiligen Mittelpunkt aus gemessen – der Abstand A, der bei gleich großer, aber komple mentärer Spannung an den Sendespulen 2.1 und 2.2 in etwa den Bereich bestimmt, in dem der örtliche Punkt 1.3 der Entkopplung zu liegen kommt. Statt einer Winkeldrehung sind auch andere Anordnungen wie z. B. eine Verschiebung der Sendespulen zueinander denkbar, so dass sich eine unterschiedliche Überdeckung der Empfangsspule 1.9 ergibt. Damit wird die Empfangsspule von den vorzugsweise zwei Sendespulen 2.1, 2.2 mit unterschiedlichen Flächenmaßen überdeckt. Solange das ziel erreicht wird, dass eine Verschiebung des örtlichen Punkts der Auslöschung bei entsprechender Bestromung der Sendespulenteile erreichbar ist, ist es gleichgültig durch welche geometrische Anordnung der Sendespulen gegenüber der Empfangsspule dies erreicht oder erleichtert wird.
Ideal für die Realisierung der oben beschriebenen Erfindung hat sich ein Verfahren mit einer Amplitudenregelung gemäß der Eingangs genannten EP 706 648 B1 für die Erstellung eines empfindlichen Metalldetektors herausgestellt. Andere Verfahren sind jedoch denkbar, solange bei Bestromung nur eines ersten Teils der Sendespule der Punkt der optimalen Auslöschung sich in eine erste Richtung z. B. nach rechts zum Punkt 5.1 verschiebt, während bei Bestromung eines zweiten Teils der Sendespule der Punkt der optimalen Auslöschung sich in eine der ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung z. B. nach links zum Punkt 6.1 verschiebt. Ein Regelungsverfahren sorgt dann dafür, dass eine Verschiebung des örtlichen Punktes der optimalen Auslöschung ausgeregelt wird und somit eine kontinuierliche Auslöschung des Empfangssignals 1.11 erfolgt.
4 zeigt hier als Ausführungsbeispiel einer Sensorelektronik mit einer geschlossenen Regelung zur Stabilisierung des örtlichen Punktes der optimalen Auslöschung in der Empfangsspule 1.9 eines in den Sendespulen 2.1 und 2.2 erzeugten Magnetfeldes. Ein Taktgenerator 4.8 liefert ein erstes Taktsignal 4.13 an eine erste geregelte Stromquelle 4.10 und ein zweites invertiertes Taktsignal 4.12 an eine zweite geregelte Stromquelle 4.9. Die Frequenz des Taktgenerators kann je nach Induktivität der Spulen gewählt werden, im Ausführungsbeispiel liegt sie bei ca. 120 kHz. Das Signal kann z. B. ein Rechteck- oder Sinussignal sein. Die erste geregelte Stromquelle 4.10 speist den Anschluss 2.4 der unteren Sendespule 2.2. Analog dazu speist die zweite geregelte Stromquelle 4.9 den Anschluss 2.3 der oberen Sendespule 2.1. Das an der Empfangsspule 1.9 anliegende Signal wird mit dem Wechselspannungsverstärker 4.5 – im Folgenden Verstärker genannt – verstärkt.
Das Ausgangssignal des Verstärkers 4.5 wird dem Synchrondemodulator 4.6 zugeführt. Dieser erhält ein zur Demodulation nötiges erstes Taktsignal über 4.18 und zweites Taktsignal 4.19 aus dem Taktgenerator 4.8. Im einfachsten Fall wird der Synchrondemodulator 4.6 das Ausgangssignal des Verstärkers 4.5 während des gesamten Abschnitts einer Taktphase synchron den entsprechenden Eingängen des integrierenden Komparators 4.7 zuführen. In diesem Fall ist das Taktsignal 4.18 und 4.19 so lang wie die Sendetaktphasen.
Bei gleicher Spannung des ersten Eingangssignals 4.15 und des zweiten Eingangssignals 4.17 des integrierenden Komparators 4.7 entsteht somit kein taktsynchroner Signalanteil an der Empfangsspule 1.9. Dabei wird z. B. bei Metalleinfluss von außen der Durchschnittswert eines ersten Taktsignals an der Empfangsspule 1.9 mit dem Durchschnittswert des zweiten Taktsignals verglichen. Im ausgeregelten Zustand entsprechen bereits die an den Eingängen des Verstärkers 4.5 vorliegenden Empfangssignale einem Nullzustand, so dass der Verstärker 4.5 am Eingang lediglich Rauschen sieht. Daher kann er sehr hoch verstärken, bzw. als hoch verstärkender Begrenzerverstärker ausgeführt werden. Dasselbe gilt auch im ausgeregelten Zustand für das erste Eingangssignal 4.15 und das zweite Eingangssignal 4.17. Liegt am Ausgang des Komparators 4.7 kein diesem Nullzustand entsprechendes Signal an, wird der Regelwert 4.16 solange nachgeführt und dadurch der Strom in den Sendespulen 2.1, 2.2 solange geregelt, bis dieser Zustand erreicht ist.
Während der Länge des Taktabschnittes weist das Ausgangssignal der Empfangsspule 1.9 geringe, von der Metallart bestimmte Amplitudenverläufe auf. Zur besseren Analyse der Metalleigenschaften kann der Abtastbereich des Synchrondemodulators deshalb auch nur abschnittsweise in den Taktzyklen gewählt werden. Dazu wird das zur Demodulation benötigte erste und zweite Taktsignal 4.18 und 4.19 entsprechend verkürzt und in den für die Metallanalyse benötigten Abschnitt der Taktphase gelegt. Die Abtastzeitpunkte sind dabei frei wählbar. Sie können z. B. in kleinen Schritten von z. B. einigen zig Nanosekunden gewählt werden und an beliebigen vorgegebenen oder vorgebbaren Stellen des Taktabschnitts bzw. Taktsignals liegen, um bestimmte Informationen aus dem Empfangssignal zu gewinnen.
Die durch den Synchrondemodulator den beiden Taktsignalen 4.12 und 4.13 zuordenbaren Ausgangssignale des Synchrondemodulators 4.6 werden vom integrierenden Komparator 4.7 auf Amplitudenunterschiede untersucht. Der Komparator kann als hochverstärkende Vergleicherschaltung ausgeführt sein. Jede noch so kleine Abweichung der Eingangsspannungen bzw. Eingangssignale 4.15 und 4.17 führt zu einer entsprechenden Abweichung des Regelwerts 4.16 vom momentanen Wert. In der Praxis haben sich „open loop” Verstärkungen bis zu 240 dB bewährt. Dies kann z. B. durch zwei hinter einander liegende, wechselspannungsmäßig bedämpfte Operationsverstärker mit einer DC-Gegenkoppelung über den gesamten Regelkreis, also unter Einbeziehung der Kopplung zwischen Sendespulen und Empfangsspule, bestehen. Die geregelten Stromquellen 4.9 und 4.10 werden mittels Invertierstufe 4.11 gegeneinander mit dem Regelwert 4.16 invertiert angesteuert, um den Zustand wieder herzustellen, bei dem gleich große Amplituden der Eingangssignale am Komparator 4.7 anstehen, d. h. bei dem aus den beiden Signalverläufen keine Differenzen an den Eingängen des Komparators 4.7 auftreten. Steigt der Strom einer der geregelten Stromquellen, so fällt sie in der anderen entsprechend ab.
Durch die Verschiebung des Stromes in beiden Spulenhälften bzw. Sendespulen wird der örtliche Punkt der optimalen Auslöschung in einem weiten Bereich stufenlos verschoben. Die Größe des Bereichs ist abhängig von der Größe der verwendeten Spule. Er kann z. B. bei einem Spulendurchmesser von 50 mm z. B. +/–5 mm betragen. 5 zeigt die Verschiebung des örtlichen Punktes 5.1 der optimalen Auslöschung nach rechts, wenn die untere Sendespule 2.2 der Sendespulenanordnung einen höheren Strom erhält als obere Sendespule 2.1. Im umgekehrten Fall der Sendeströme wandert der Punkt 6.1 der optimalen Auslöschung gemäß 6 nach links. Die Regelschaltung sorgt nun dafür, dass der ermittelte Wert für den Punkt der optimalen Auslöschung ständig so nachgeregelt wird, dass kein Differenzsignal am Synchrondemodulator 4.6 anliegt. Dies führt dazu, dass zeitveränderliche bzw. dynamische Änderungen im Umfeld des Metalldetektors wie z. B. eine Metallannäherung als Änderungen des Regelwerts 4.16 wahrgenommen werden.
Ohne den Einfluss von Metall im sensoraktiven Bereich stellt sich daher ein Gleichgewicht der Sendeströme in der Art ein, dass an der Empfangsspule 1.9 keine taktsynchronen Anteile entstehen und somit der Punkt der optimalen Auslöschung immer eingehalten wird. Der Regelwert 4.16 am Regelausgang der Regelschaltung in 4 nimmt somit gemäß 7 einen bestimmten elektrischen Wert ein, der der örtlichen Position des Ortes der optimalen Auslöschung entspricht. Eine Metallannäherung 7.4 verändert den Ort der optimalen Auslöschung. Somit entsteht in der Empfangsspule 1.9 ein Signal mit taktsynchronen Anteilen, die durch die Synchrongleichrichtung detektiert und sofort durch die kontinuierliche Nachregelung der Sendeströme in 4.9 und 4.10 nachgeregelt wird, bis die taktsynchronen Anteile in der Empfangsspule ausgelöscht sind. 7 zeigt den Ruhezustand des Regelwertes 4.16 und die Veränderung im Bereich einer Metallannäherung 7.4. Zur Detektion einer Metallannäherung kann nun z. B. der Unterschied zwischen Ruhezustand 4.16 und verändertem Regelwert 7.3 ausgewertet werden.
In diesem System der geschlossenen Regelung wird also nicht wie im Stand der Technik die Größe des an der Empfangsspule entstehenden Signals bei Metallannäherung gemessen und in einer entsprechenden Anzeige dem Benutzer sichtbar gemacht, sondern der Regelwert oder besser noch die Veränderung des Regelwertes, der zur örtlichen Verschiebung des Punktes der optimalen Auslöschung bei Metallannäherung eintritt.
Die Nachregelung erfolgt im μs-Bereich, so das auch bei schneller Metallüberstreichung das Ausgangssignal der Empfangsspule immer auf einen Zustand ohne taktsynchronen Anteile am Synchrondemodulator gehalten wird. Prinzipiell reicht es dabei auch aus, wenn der Strom in nur einer Sendespule bzw. Sendespulenhälfte geregelt wird, jedoch wird dadurch der Dynamikbereich eingeschränkt.
Im Fall einer Fertigungstoleranz, eines Temperatureinflusses oder auch des Bodeneinflusses ändert sich zwar der Regelwert 4.16 (Offset), jedoch bleibt die optimale Auslöschung des Signals 1.11 an der Empfangsspule 1.9 in jedem Falle erhalten.
Funktion der geteilten Sendespulenanordnung:
Im Idealfall werden beide Sendespulen 2.1 und 2.2 gleich bestromt, bzw. mit gleicher Spannung versorgt und verhalten sich wie eine Spule. Nehmen wir an, dass der Punkt der optimalen Auslöschung wie in 1 in der Mitte liegt.
Wird „nur” die Sendespule 2.2 im Verhältnis zur Sendespule 2.1 bestromt, verändert sich der Punkt 5.1 der optimalen Auslöschung und wandert gemäß 5 „nach rechts”. Das heißt, die Sendespulenanordnung müsste gegenüber der Empfangsspule nach rechts verschoben werden, um den Punkt der optimalen Auslöschung zu erreichen. Umgekehrt lässt eine ausschließliche Bestromung der Sendespule 2.1 den Punkt 6.1 der optimalen Auslöschung gemäß 6 „nach links” wandern. Die Sendespulenanordnung müsste daher nach links verschoben werden, um den Punkt der optimalen Auslöschung zu erreichen. Da jedoch alle möglichen Stromwertverhältnisse durch die geschlossene Regelung in 4 möglich sind, kann also der Punkt der optimalen Auslöschung bei feststehender Sendespulenanordnung immer mit Sicherheit getroffen werden. Dies ist besonders wichtig, wenn relativ große Fertigungstolleranzen der Spulen in Kauf genommen werden müssen. Eine „Einschaltung” von Hilfswicklungen wie in der DE 10 2004 047 189 A1 oder mechanisch verschiebbarer Massen entfällt.
Ein weiterer Vorteil liegt in der hohen Dynamik ohne die oft übliche „Begrenzung” der Messwertangaben bei großen Metallteilen, wenn ein bestimmter Abstand unterschritten wird.
Im Stand der Technik stört in der Regel ein kapazitives Übersprechen von der Sende- in die Empfangsspule. Dies tritt stark in Erscheinung, wenn Sende- und Empfangsspule sehr nah beieinander liegen, so wie es bei Printspulen der Fall ist. Um das Übersprechen zu verringern, wird deshalb eine Abschirmmaßnahme zwischen Sende- und Empfangsspule vorgeschlagen. ( DE 10 2004 047 189 A1 )
In der beschriebenen Erfindung kann auf diese Abschirmung verzichtet werden, da die kapazitiven Einwirkungen der zwei Sendespulenhälften sich auf Grund der komplementären Spannungen und der gespiegelten Anordnung der Sendespulenhälften in der Empfangsspule nahezu vollständig aufheben. Daher lässt sich ein Metalldetektor sehr einfach mit einer nur zweiseitig bedruckten Platine realisieren.
In der Darstellung gemäß 2 wurde die Sendespule rund dargestellt, jedoch sind selbstverständlich auch andere Formen möglich, z. B. die aus dem Stand der Technik bekannte „double D” Anordnung oder eine unsymmetrische Anordnung der beiden versetzten Sendespulen oberhalb und unterhalb der Empfangsspule. Auch lässt sich diese Anordnung analog zur oben beschriebenen Wirkungsweise auch bei differentieller Messmethoden wie z. B. der Verwendung zweier Empfangsspulen innerhalb der Sendespulen verwenden (Patent DE 36 19 308 C1 ).
Wesentlich ist, dass die Sendespule, oder wenigstens ein wesentlicher Teil von ihr, geteilt wird und bei gleicher Bestromung der beiden Spulenteile eine Wirkung auf die Empfangsspule oder -spulen ausübt, bei der ein örtlicher Punkt der optimalen Auslöschung 1.3 entsteht, und bei Bestromung nur einer ersten Hälfte oder eines ersten Teils der Sendespule der Punkt der optimalen Auslöschung sich in eine erste Richtung z. B. nach rechts zum Punkt 5.1 verschiebt, während bei Bestromung einer zweiten Hälfte oder eines zweiten Teils der Sendespule der Punkt der optimalen Auslöschung sich in eine der ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung z. B. nach links zum Punkt 6.1 verschiebt. Weiterhin ist eine kontinuierliche Regelung der Ströme der beiden Sendespulen vorhanden, die zu einer Verschiebung des örtlichen Punktes der optimalen Auslöschung führt, und somit eine kontinuierliche Auslöschung des Empfangssignals 1.11 bewirkt. Zur Auswertung der Metallanwesenheit wird der Regelwert der differentiellen Stromregelung der beiden Sendespulenhälften herangezogen.

1.1: Startpunkt der Verschiebung
1.2: Signal mit Phasenlage 0°
1.3: Entkopplungspunkt
1.4: Signal mit Phasenlage 180°
1.5: Endpunkt der Verschiebung
1.6: Doppelpfeil Verschiebung Empfangsspule zur Sendespule
1.7: Amplitude der Empfangsspule
1.9: Empfangsspule
1.10: Sendespule (Stand der Technik)
2.1: erste obere Spulenhälfte
2.2: zweite untere Spulenhälfte
2.3: Anschluss der ersten oberen Spulenhälfte
2.4: Anschluss der zweiten unteren Spulenhälfte
2.5: Zusammengefasste Anschlüsse der ersten und zweiten Spulenhälfte
2.6: Zu 2.7 komplementäre Spannung
2.7: Zu 2.6 Komplementäre Spannung
3.1: Horizontale Achse der Empfangsspule
3.2: Horizontale Achse der Sendespulenanordnung
W: Winkel der Verkippung
A: Abstand der Empfangs- und Sendespulenanordnung
4.5: Wechselspannungsverstärker
4.6: Synchrondemodulator
4.7: Integrierender Komparator
4.8: Taktgenerator
4.9: Zweite geregelte Stromquelle
4.10: Erste geregelte Stromquelle
4.11: Invertierstufe
4.12: Zweites Taktsignal
4.13: Erstes Taktsignal
4.15: Erstes Eingangssignal des integrierenden Komparators
4.16: Regelwert
4.17: Zweites Eingangssignal des integrierenden Komparators
4.18: Für Demodulation benötigtes erstes Taktsignal
4.19: Für Demodulation benötigtes zweites Taktsignal
5.1: Nach rechts verschobener Punkt der optimalen Auslöschung
6.1: Nach links verschobener Punkt der optimalen Auslöschung
7.3: Regelwert bei Metallannäherung
7.4: Bereich einer Metallannäherung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10301951 A9 [0002]
- DE 10318350 B3 [0003]
- DE 3619308 C1 [0004, 0043]
- DE 4339419 C2 [0005]
- DE 102004047189 A1 [0006, 0039, 0041]
- EP 706648 B1 [0007, 0027]

Claims

Sensor zur Ortung metallischer Objekte, insbesondere im PI-Modus betriebener Metalldetektor, mit wenigstens einer Sendespule (2.1, 2.2) und wenigstens einer Empfangsspule (1.9), welche induktiv miteinander gekoppelt und zur Wechselwirkungsentkopplung teilweise überlappend angeordnet sind, wobei ein Punkt (1.3) optimaler Auslöschung der Wechselwirkung erreichbar ist, sowie mit einer Sensorelektronik zur Bestromung der Sendespule und zur Auswertung eines Empfangssignals (1.11) der Empfangsspule, dadurch gekennzeichnet, – dass mehrere, von der Sensorelektronik bestromte Sendespulen (2.1, 2.2) vorgesehen sind, – dass die Sendespulen (2.1, 2.2) bei gleicher Bestromung eine Wirkung auf die wenigstens eine Empfangsspule (1.9) ausüben, bei der ein örtlicher Punkt (1.3) der optimalen Auslöschung entsteht, während bei Bestromung einer ersten Sendespule (2.1) der Punkt der optimalen Auslöschung sich in eine erste Richtung verschiebt, während bei Bestromung einer weiteren Sendespule (2.2) der Punkt der optimalen Auslöschung sich in eine der ersten Richtung entgegengesetzten Richtung verschiebt, und – dass eine Regelschaltung zur Regelung der Ströme der Sendespulenteile vorgesehen ist, die zu einer Verschiebung des örtlichen Punktes der optimalen Auslöschung führt, die eine Auslöschung des Empfangssignals (1.11) bewirkt.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendespulen durch mehrere Sendespulenteile gebildet sind, die zusammen etwa die Form einer vorzugsweise der Empfangsspule (1.9) entsprechenden Sendespule aufweisen.
Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendespulen (2.1, 2.2) bzw. die Sendespulenteile durch zwei im Wesentlichen gleich große Sendespulenhälften gebildet sind.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendespulen (2.1, 2.2) und die Empfangsspule (1.9) co-planar angeordnet sind.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vorzugsweise zwei Sendespulen (2.1, 2.2) die Empfangsspule (1.9) mit unterschiedlichen Flächenmaßen überdecken.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Achse (3.2), vorzugsweise eine Symmetrieachse der Sendespulenanordnung, welche die Sendespulen (2.1, 2.2) umfasst, gegenüber einer Achse (3.1), vorzugsweise eine Symmetrieachse, der Empfangsspule (1.9) um einen Winkel (W) gekippt ist.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelpunkte einer Anordnung der Sendespulen (2.1, 2.2) und der Empfangsspule (1.9) um einen Abstand (A) voneinander beabstandet sind, der bei gleich großer, aber komplementärer Spannung an den Sendespulen ungefähr den Bereich bestimmt, in dem der örtliche Punkt (1.3) zu liegen kommt.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Komparator (4.7) zum Vergleich der den Sendespulen (2.1, 2.2) zugeordneten Spannungssignale zur Ermittlung eines Regelwertes vorgesehen ist, und dass wenigstens eine geregelte Stromquelle (4.9, 4.10) vorgesehen ist, in der der Regelwert zur Regelung der Amplitude des den Sendespulen zugeführten Stroms die Amplitude vorzugsweise kontinuierlich so regelt, dass die Amplituden der Spannungssignale an den Eingängen des Komparators (4.7) im Wesentlichen gleich groß sind.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung des Regelwertes, der zur örtlichen Verschiebung des Punktes (1.3) der optimalen Auslöschung bei Metallannäherung führt, der Messwert ist.
Verfahren zur Ortung metallischer Objekte mit einem Sensor, insbesondere mit einem im PI-Modus betriebenen Metalldetektor, mit wenigstens einer Sendespule (2.1, 2.2) und wenigstens einer Empfangsspule (1.9), welche induktiv miteinander gekoppelt und zur Wechselwirkungsentkopplung teilweise überlappend angeordnet sind, wobei ein Punkt (1.3) optimaler Auslöschung der Wechselwirkung erreichbar ist, wobei mittels einer Sensorelektronik die wenigstens eine Sendespule bestromt wird und ein Empfangssignal (1.11) der Empfangsspule ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, – dass mehrere Sendespulen (2.1, 2.2) von der Sensorelektronik bestromt werden, – dass die Sendespulen bei gleicher Bestromung eine Wirkung auf die wenigstens eine Empfangsspule (1.9) ausüben, bei der ein örtlicher Punkt (1.3) der optimalen Auslöschung entsteht, während bei Bestromung einer Sendespule (2.1) der Punkt der optimalen Auslöschung sich in eine erste Richtung verschiebt, während bei Bestromung einer weiteren Sendespule (2.2) der Punkt der optimalen Auslöschung sich in eine der ersten Richtung entgegengesetzten Richtung verschiebt, und – dass die Ströme der Sendespulen so geregelt werden, dass sich eine Verschiebung des örtlichen Punktes der optimalen Auslöschung ergibt, die eine Auslöschung des Empfangssignals (1.11) bewirkt.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Sendespulen mehrere Sendespulenteile verwendet werden, die zusammen etwa die Form einer vorzugsweise der Empfangsspule (1.9) entsprechenden Sendespule aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Sendespulen oder Sendespulenteile zwei im Wesentlichen gleich große Sendespulenhälften verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendespulenteile und die Empfangsspule co-planar angeordnet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangsspule von den vorzugsweise zwei Sendespulen (2.1, 2.2) mit unterschiedlichen Flächenmaßen überdeckt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Achse (3.2), vorzugsweise eine Symmetrieachse, der Sendespulenanordnung, welche die Sendespulen (2.1, 2.2) umfasst, gegenüber einer Achse (3.1), vorzugsweise eine Symmetrieachse, der Empfangsspule (1.9) um einen Winkel (W) gekippt angeordnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die den Teilen der Sendespule (2.1, 2.2) zugeordneten Spannungssignale zur Ermittlung eines Regelwertes vorzugsweise kontinuierlich verglichen werden, und dass der Regelwert mittels wenigstens einer geregelte Stromquelle (4.9, 4.10) die Amplitude des den Teilen der Sendespule zugeführten Stroms so regelt, dass die Amplituden der Spannungssignale an den Eingängen des Komparators (4.7) im Wesentlichen gleich groß sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung des Regelwertes, der zur örtlichen Verschiebung des Punktes (1.3) der optimalen Auslöschung bei Metallannäherung führt, als Messwert z. B. für eine Metallannäherung verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendespulen (2.1, 2.2) im Takt eines Taktgenerators (4.8) angesteuert werden und dass die Empfangssignale der Empfangsspule (1.9) im Takt abgetastet werden, wobei die Abtastzeitpunkte frei wählbar sind, in kleinen Schritte vorzugsweise von einigen zig Nanosekunden ausgeregelt werden und an beliebigen vorgegebenen oder vorgebbaren Stellen des Taktabschnitts liegen, um bestimmte Informationen aus dem Empfangssignal zu gewinnen.