DE102010016028A1

DE102010016028A1 - Verfahren zum Betrieb eines ein elektromagnetisches Wechselfeld einsetzenden Detektors sowie Detektor

Info

Publication number: DE102010016028A1
Application number: DE201010016028
Authority: DE
Inventors: Matthias Hundertmark
Original assignee: Sartorius AG
Current assignee: Minebea Intec Bovenden GmbH and Co KG
Priority date: 2010-03-19
Filing date: 2010-03-19
Publication date: 2011-09-22
Anticipated expiration: 2030-03-20
Also published as: DE102010016028B4; WO2011113581A1

Abstract

Es werden ein Detektor sowie ein Verfahren zum Betrieb eines ein elektromagnetisches Wechselfeld einsetzenden Detektors vorgestellt. Es ist bekannt, in einem Detektionsmodus wird mittels einer Sendeeinheit (2) ein elektromagnetisches Messwechselfeld mit einer vorgegebenen Messfrequenz erzeugt und das Messwechselfeld mittels einer Empfangseinheit (30) in Hinblick auf mögliche Wechselwirkungen mit einem Objekt zu untersuchen. Es wird vorgeschlagen, in einem Störfelderfassungsmodus mittels der Empfihrer Signalstärke abhängig von ihren Frequenzen festzustellen und im Detektionsmodus für die Messfrequenz einen in einem Minimum der Störfeldsignalstärke liegenden Frequenzbereich zu wählen. Im Störfeldmodus kann vorteilhaft für die Empfangseinheit (30) ein breitbandiges Anpassnetzwerk verwendet und die Frequenzverteilung der ermittelten Störfeldsignalstärken innerhalb des in einer Messung untersuchten Frequenzbereichs mittels einer Fouriertransformation ermittelt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines ein elektromagnetisches Wechselfeld einsetzenden Detektors, bei dem in einem Detektionsmodus ein elektromagnetisches Messwechselfeld mit einer vorgegebenen Messfrequenz erzeugt und das Messwechselfeld mittels einer Empfangseinheit in Hinblick auf mögliche Wechselwirkungen mit einem Objekt untersucht wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Detektor, umfassend eine Sendeeinheit zur Ausstrahlung elektromagnetischer Wellen, eine Empfangseinheit zum Empfang elektromagnetischer Wellen und eine Auswerteeinheit zur Auswertung der empfangenen elektromagnetischen Wellen.
Ein Verfahren sowie ein Detektor der vorgenannten Art sind aus der DE 20 2004 011 073 U1 bekannt. Dieser Stand der Technik offenbart eine Metalldetektionsvorrichtung zur Detektion von Metallteilen aus einem Produktstrom dielektrischer Stoffe, der mit einem Förderband transportiert wird. Der Produktstrom wird zwischen einer Sendespule und zwei Empfangsspulen geführt, wobei die Sendespule die Empfangsspulen mit einem elektromagnetischen Wechselfeld vorgebbarer Frequenz beaufschlägt. Zur Reduzierung von elektromagnetischen Störfeldern aus der Umgebung des Messortes offenbart der genannte Stand der Technik ein mit metallischen Seitenwänden geschlossenes Gehäuse vorzusehen, welches eine Abschirmung für elektromagnetische Felder bilden soll. Wegen des Produktstromes und des den Produktstrom tragenden Förderbandes kann ein solches Gehäuse nicht vollständig geschlossen sein. Eine vollständige Eliminierung von externen Störfeldern kann somit nicht gewährleistet werden.
Es ist nun Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren sowie einen Detektor der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, die vorhandene Störfelder möglichst effektiv ausblenden.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind durch die Unteransprüche gegeben.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird erstmals der Weg beschritten, vorhandene Störfelder nicht durch Abschirmungsmaßnahmen zu eliminieren, sondern vor der Messung vorhandene Störfelder zu detektieren und die Messung in einem störfeldfreien Bereich oder zumindest in einem Bereich minimaler Störfeldstärke durchzuführen, wobei ein für eine möglichst ungestörte Messung ausreichender Frequenzabstand zwischen der Senderfrequenz und möglichen Störfrequenzen bestehen sollte.
Die Störfelderfassung wird dabei durch den Detektor selbst durchgeführt, so dass externe Messgeräte nicht notwendig sind. Hierfür wird der erfindungsgemäße Detektor in einem Störfelderfassungsmodus betrieben, in dem die Empfangseinheit elektromagnetische Störfelder in ihrer Signalstärke abhängig von den Störfeldfrequenzen feststellt. Es ist vorteilhaft, im Störfelderfassungsmodus die Sendeeinheit stumm zu schalten und kein eigenes elektromagnetisches Wechselfeld aussenden zu lassen.
Der Störfelderfassungsmodus kann in unterschiedlicher Weise gefahren werden. So ist es möglich, die Empfangseinheit mit einer geringen Bandbreite zu betreiben, wobei der gesamte Frequenzbereich, in dem das Metallsuchgerät eingesetzt werden kann, kontinuierlich durchgefahren wird. Um eine hohe Frequenzauflösung zu erzielen, müssen die Messzyklen in den jeweiligen Frequenzen hinreichend lang sein.
In einer vorteilhaften Variante der Erfindung kann im Störfelderfassungsmodus mit einer größeren Bandbreite gefahren und das empfangene demodulierte Signal mit einer Fourier-Transformation in seine Frequenzbestandteile zerlegt werden. Hierdurch kommt es gegenüber dem vorbeschriebenen kontinuierlichen Durchfahren zu einem erheblichen Zeitgewinn für den Störfelderfassungsmodus.
Im Detektionsmodus wird die Sendeeinheit dann auf eine Frequenz eingestellt, die kein Störfeld oder zumindest ein Störfeldminimum aufweist.
Die Erfindung betrifft Detektoren, die mit elektromagnetischen Wechselfeldern arbeiten, zum Beispiel solche zum Aufspüren versteckter metallisch leitender Gegenstände oder zur anderweitigen Untersuchung von Produkten, zum Beispiel zur Erfassung von Frischegraden oder Fettgehalten von Lebensmitteln. Derartige Detektoren werden auch als Metalldetektoren zum Aufspüren von Metallteilen, zum Beispiel in einem Produktstrom, eingesetzt. Aus dem Stand der Technik bekannte Detektoren in der Metallsuchtechnik setzen eine oder mehrere fest vorgegebene Frequenzen ein. Eine Varianz der Sendefrequenz und eine entsprechende Anpassung der Empfangseinheit sind daher bislang nicht möglich gewesen.
Im Folgenden werden anhand von Figuren vorteilhafte Ausbildungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens oder der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie eine Vorrichtung zum Stand der Technik vorgestellt.
Es zeigen
1: schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen Detektors,
2: einen Detektor nach dem Stand der Technik,
3: das Ablaufschema des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer ersten Variante und
4: das Ablaufschema des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer zweiten Variante unter Einsatz einer Fourier-Transformation.
2 zeigt einen aus dem Stand der Technik bekannten Detektor mit einer ein Sendespulensystem 1 aufweisenden Sendeeinheit 2 und eine Empfangseinheit 3 mit einem Empfangsspulensystem 4, welches in der Regel aus zwei gegensinnig zueinander verschalteten Einzelspulen besteht. Die Sendeeinheit 2 wird im Einsatz des Detektors von einem Oszillator 9 mit einer Wechselspannung vorbestimmter Frequenz versorgt. Die Empfangseinheit 3 weist im Anschluss an das Empfangsspulensystem 4 einen schmalen Bandpass 5 auf, dessen Ausgangssignal einem Vorverstärker 6 zugeführt wird.
Das von der Empfangseinheit 3 empfangene Signal wird nach dem Vorverstärker in einem Demodulator 7 in seinen Realanteil (I-Kanal) und seinen Imaginäranteil (Q-Kanal) zerlegt, wodurch es möglich wird, im Detektionsmodus verschiedene Materialien im Magnetfeld des Detektors zu unterscheiden. Der I/Q-Modulator oder Demodulator 7 weist sowohl im Q-Kanal als auch im I-Kanal jeweils einen Multiplizierer 8 auf, der in bekannter Weise das vom Vorverstärker 6 erhaltene Signal mit Sinusschwingungen des Oszillators 9 multipliziert, wobei die dem Q-Kanal zugeführte Schwingung um 90° gegenüber dem vom Oszillator 9 der Sendeeinheit 2 zugeführten Sendesignal verschoben ist, während das dem Multiplizierer 8 im I-Kanal zugeführte Signal in Phase zum Sendesignal ist.
Die Signale des I-Kanals sowie des Q-Kanals werden jeweils über einen Tiefpass 10 einem Analog/Digital-Wandler 11 zugeführt. Am Ausgang des Analog/Digital-Wandlers 11 verlassen die Signale die Empfangseinheit 3 und werden an eine Auswerteeinheit 12 (Digitaler Signal-Prozessor DSP) weitergeleitet. Eine Störquelle, deren magnetisches Wechselfeld mit der Arbeitsfrequenz des Detektors übereinstimmt oder innerhalb der Bandbreite des Empfängers liegt, erzeugt auf dem I-Kanal und dem Q-Kanal Störungen, die die in vielen Fällen sehr kleinen Signalamplituden des gewünschten Messergebnisses, zum Beispiel bei der Detektion kleiner Metallteile, überdecken können. Die Empfindlichkeit des Metalldetektors wird hierdurch reduziert.
Um den Einfluss der Störungen gering zu halten, wird im Stand der Technik eine möglichst geringe Bandbreite für den Signalpfad in der Empfangseinheit 3 vorgesehen. Zunächst wird hinter dem Empfangsspulensystem 4 hierzu ein schmalbandiger Resonanzkreis eingesetzt, der fest auf die Frequenz vom magnetischen Wechselfeld der Sendeeinheit 2 abgestimmt ist. Das Ergebnis kann durch den Einsatz steiler Tiefpassfilter 10 nach dem Demodulator 7 verbessert werden, soweit die Störfeldfrequenz hinreichend von der Arbeitsfrequenz abweicht. Ist die Differenz zwischen der Frequenz der Störquelle und der Messfrequenz des Detektors zu gering, helfen diese Maßnahmen nicht.
1 zeigt nun schematisch das elektrische Schaltbild eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Detektors. Soweit der Detektor mit dem aus dem Stand der Technik bekannten Detektor gemäß 2 übereinstimmt, werden gleiche Bezugszeichen verwendet.
Anders als im Stand der Technik verfügt der erfindungsgemäße Detektor über einen in seiner Frequenz gezielt veränderbaren Oszillator 90, z. B. spannungsgesteuert, wodurch die Frequenzeinstellung für die Sendeeinheit 2 variabel ist. Dem Empfangsspulensystem 4 ist zunächst ein breitbandiger Tiefpass 50 nachgeordnet. Des Weiteren ist es möglich, über eine Stummschaltung 13 die Sendeeinheit 2 stumm zu schalten, um den Detektor in einem Störfelderfassungsmodus ohne Sendeleistung zu betreiben.
Die Empfangseinheit 30 wird über ein breitbandiges Anpassnetzwerk angepasst, das für den gesamten Frequenzbereich ausgelegt ist, in dem der Detektor betrieben werden kann. Das Abstimmen auf die Empfangsfrequenz erfolgt ausschließlich durch den Demodulator 7 mit dem nachfolgenden Tiefpass 10.
Durch ein nicht zwingendes, aber vorteilhaftes Deaktivieren (Stummschalten) der Sendeeinheit 2 kann die Analyse der Störfelder bei einem kleineren Dynamikbereich erfolgen. Die mechanische Konstruktion einer Sende- und Empfangsspule bedingt im Allgemeinen einen nicht linearen Frequenzgang, der eine zusätzliche Vorrichtung zur Kompensation mechanischer Unsymmetrien erfordert und die Geschwindigkeit des Analysevorgangs reduziert.
In einer ersten Verfahrensweise wird die Empfangseinheit 30 im gesamten Frequenzbereich, in dem der Detektor betrieben werden kann, kontinuierlich durchgefahren, um sämtliche Störfelder zu erfassen.
Diese Verfahrensweise ist im Ablaufschema gemäß 3 dargestellt. Demnach wird zunächst die Sendeeinheit 2 ausgeschaltet. Anschließend wird eine Startfrequenz, zum Beispiel die niedrigste Frequenz, mit der der Detektor arbeitet, ausgewählt. Die Signalstärke eines bei dieser Frequenz durch die Empfangseinheit 30 festgestellten Störfeldes wird bestimmt und in einem hier nicht dargestellten Speicher in der Auswerteeinheit 12 abgespeichert. Die Messfrequenz wird mittels des spannungsgesteuerten Oszillators 90 um einen Betrag Δf erhöht. Anschließend wird geprüft, ob die nunmehr gegebene Frequenz eine Maximalfrequenz f_max bereits überschritten hat. Wenn nicht, wird die Signalstärke bei dieser Frequenz ebenfalls erfasst und abgespeichert. Diese Schleife wird über den gesamten Messbereich durchfahren.
Sobald dieser Messbereich komplett durchfahren ist, wird anhand der abgespeicherten Daten festgestellt, in welchem Frequenzbereich der Störfelder die geringste Signalstärke oder der geringste Pegel vorliegt. Eine solche Frequenz wird dann für den hier nicht dargestellten Messvorgang im Detektionsmodus ausgewählt.
Um eine hohe Frequenzauflösung zu erzielen, ist eine geringe Bandbreite für jede Messung innerhalb der Schleife mit einem entsprechend langen Messzyklus pro Frequenz erforderlich.
Um die Messzeit zu verringern, wird das in 4 dargestellte alternative Verfahren für den Störfelderfassungsmodus vorgeschlagen. Dieses Verfahren wird im Folgenden weiter detailliert vorgestellt:
Nachdem zum Start die Sendeeinheit 2 stummgeschaltet wurde, wird mit einer Startfrequenz, zum Beispiel der kleinsten Frequenz, die Empfangseinheit 3 auf Empfang geschaltet. Das von dem Empfangsspulensystem 4 empfangene Signal wird im Demodulator 7 mit der Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators 90 durch Multiplikation mit den Multiplizierern 8 sowohl im I-Kanal (Realteil) als auch im Q-Kanal (Imaginärteil) gemischt. Dies lässt sich mathematisch mit den folgenden Gleichungen beschreiben. I(t) = sin(ω_et)·sin(ω_osct) Q(t) = sin(ω_et)·cos(ω_osct) (1)
Durch die Anwendung der Additionstheoreme der trigonometrischen Funktionen kann der Ausdruck auch in die Form I(t) = 1 / 2[cos((ω_e – ω_osc)t)– cos((ω_e + ω_osc)t] Q(t) = 1 / 2[sin((ω_e – ω_osc)t) + sin((ω_e + ω_osc)t)] (2) gebracht werden. Die am Ausgang des Demodulators 7 befindlichen Filter 10, die auch als Antialiasing-Filter dienen, sperren die Summenfrequenz (ω_e + ω_osc) so dass das durchgelassene Signal nur noch die Differenzfrequenz (ω_e – ω_osc) aufweist, die im Folgenden mit Δω abgekürzt wird. Somit verbleiben als Signale der beiden Kanäle I(t) = 1 / 2cos(Δω·t) Q(t) = 1 / 2sin(Δω·t) (3).
Diese Signale werden im AD-Wandler 11 digitalisiert und in der Auswerteeinheit 12 aufgezeichnet. Anschließend erfolgt eine Fourier-Transformation auf diskretem Weg, wobei sich das Eingangssignal für die Fourier-Transformation aus den Signalen I(t) und Q(t) gemäß Gleichung (3) zusammensetzt. Das Signal des Q-Kanals entspricht dem imaginären Anteil des Gesamtsignals. Die Zusammensetzung des Eingangssignals wird durch die Gleichung 4 beschrieben. fn = I_n + jQ_n (4)
Der Index n soll darauf hinweisen, dass es sich um diskrete Abtastwerte von I(t) bzw. Q(t) handelt, die mit einer Abtastrate Ta erfasst wurden. Durch diese Zusammensetzung des Eingangssignals fn bleibt die Information über das Vorzeichen von Δω erhalten.
Das Spektrum F m der diskreten Fouriertransformation (DFT) aus der folgenden Gleichung (5) ist periodisch.
Dies gilt auch für die optimierten Algorithmen der diskreten Fourier-Transformation wie der Fast-Fouriertransformation (FFT). Wegen der Periodizität des Spektrums lässt sich die zugehörige Frequenz für die Werte aus F m nach Gleichung (6) und Gleichung (7) bestimmen.
Der Beitrag der einzelnen Frequenz im Amplitudenspektrum ist ein Maß für die Stärke der Störquelle. Zu beachten ist, dass die Fourier-Transformation mit der Differenzfrequenz Δω durchgeführt wurde. Um die Frequenz zu ermitteln, mit der der Störer sendet, ist zu der in der Fourier-Transformation ermittelten Frequenz noch die Mittenfrequenz des Oszillators ω_e hinzuzuaddieren.
Die Art und Weise der Fourier-Transformation legt die Frequenzauflösung eines Verfahrens fest. Durch die Fouriertransformation erfolgt gleichzeitig die Bestimmung der Signalleistung bei einer Vielzahl von Frequenzen. Aus diesem Grund ist es sinnvoll, mit der maximalen Bandbreite des Signalpfades der Empfangseinheit 3 zu arbeiten.
Im Zusammenhang mit der Fouriertransformation ist des Weiteren zu beachten, dass auch das Signal fn im Zeitbereich periodisch ist. Dadurch entstehen im Spektrum unerwünschte Frequenzanteile, die durch eine Differenz zwischen dem ersten und dem letzten Abtastwert entstehen. Diese Frequenzanteile lassen sich vermeiden, wenn das Signal fn zuvor mit einer Fensterfunktion an den Übergängen geglättet wird. Als sehr vorteilhaft erweisen sich hier das Hanning- und das Blackman-Fenster.
Nachdem die Fouriertransformation zur Ermittlung der Störfrequenz über einen bestimmten Bandbereich durchgeführt wurde, wird das Frequenzspektrum verschoben, indem die Frequenz um die doppelte Frequenz der Bandbreite b des Tiefpasses 10 erhöht wird. Anschließend wird das Verfahren mit der Aufzeichnung des Signals wiederholt, bis nach mehrmaligem Durchlaufen der Schleife die obere Grenzfrequenz erreicht ist. Alternativ kann selbstverständlich in entsprechender Weise auch mit der oberen Frequenz begonnen und eine Verschiebung des Frequenzspektrums zu niedrigeren Frequenzen hin durchgeführt werden.
Schließlich wird für die Durchführung des Detektionsmodus ein Frequenzbereich mit geringstem Störsignal gewählt.
Soweit die Bandbreite b nach dem Verfahren gemäß 4 groß genug gewählt wird, kann es hinreichend sein, für die Störfelderfassung lediglich einen Frequenzbereich mit einer einzigen Messung zu untersuchen. Soweit in einem Frequenzbereich ein hinreichend geringer Pegel oder eine hinreichend geringe Signalstärke der Störfelder festgestellt wird, kann der Störfelderfassungsmodus beendet werden.
Bezugszeichenliste

1: Senderspulensystem
2: Sendeeinheit
3: Empfangseinheit
4: Empfangsspulensystem
5: Bandpass
6: Vorverstärker
7: I/Q-Demodulator
8: Multiplizierer
9: Oszillator
10: Tiefpass
11: AD-Wandler
12: Auswerteeinheit
13: Stummschaltung
30: Empfangseinheit
50: breitbandiger Tiefpass
90: spannungsgesteuerter Oszillator

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 202004011073 U1 [0002]

Claims

Verfahren zum Betrieb eines ein elektromagnetisches Wechselfeld einsetzenden Detektors, bei dem in einem Detektionsmodus mittels einer Sendeeinheit (2) ein elektromagnetisches Messwechselfeld mit einer vorgegebenen Messfrequenz erzeugt und das Messwechselfeld mittels einer Empfangseinheit (30) in Hinblick auf mögliche Wechselwirkungen mit einem Objekt untersucht wird, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Störfelderfassungsmodus mittels der Empfangseinheit (30) elektromagnetische Störfelder in ihrer Signalstärke abhängig von ihren Frequenzen festgestellt werden und im Detektionsmodus für die Messfrequenz ein in einem Minimum der Störfeldsignalstärke liegender Frequenzbereich gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Feststellung der Störfeldfrequenzen mit der Empfangseinheit (30) nacheinander unterschiedliche Frequenzbereiche untersucht werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Feststellung der Störfrequenzen für die Empfangseinheit (30) ein breitbandiges Anpassnetzwerk verwendet und die Frequenzverteilung der ermittelten Störfeldsignalstärken innerhalb des in einer Messung untersuchten Frequenzbereichs mittels einer Fouriertransformation ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Störfelderfassungsmodus die Sendeeinheit stummgeschaltet wird.
Detektor umfassend – eine Sendeeinheit (2) zur Ausstrahlung elektromagnetischer Wellen, – eine Empfangseinheit (30) zum Empfang elektromagnetischer Wellen und – eine Auswerteeinheit (12) zur Auswertung der empfangenen elektromagnetischen Wellen, dadurch gekennzeichnet, dass a) Empfangseinheit (30) und Auswerteeinheit (12) derart ausgestaltet sind, dass für eine Störfelderfassung elektromagnetische Wellen über eine Bandbreite empfangbar und auswertbar sind, die ein Vielfaches der für eine Detektionsmessung notwendigen Bandbreite beträgt, und ein Minimum einer frequenzabhängigen Störfeld-Signalstärke feststellbar ist, und b) die Sendeeinheit (2) über eine variable Frequenzeinstellung verfügt.
Detektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzeinstellung der Sendeeinheit (2) stufenlos veränderbar ist.
Detektor nach Anspruch 5 oder 6. dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangseinheit (30) kontrolliert über einen Frequenzbereich verstellbar ist.
Detektor nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangseinheit (3) ein breitbandiges Anpassnetzwerk aufweist und die Auswerteeinheit (12) Mittel zur Fouriertransformation aufweist.