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Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung und ein Verfahren zur Lokalisierung von in einem Medium eingeschlossenen Objekten, insbesondere metallischen Objekten, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. Anspruch 15. Darüber hinaus beschreibt die Erfindung ein Werkzeuggerät, insbesondere ein Messgerät, beispielsweise ein handhaltbares Ortungsgerät, mit einer solchen Sensorvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 15.
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Stand der Technik
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Zur Detektion von in einem Medium, wie bspw. einer Wand, einer Decke oder einem Boden eingeschlossenen Objekten, wie bspw. elektrischen Leitungen, Wasserleitungen, Rohren, Metallständern werden seit längerer Zeit Ortungsgeräte eingesetzt. Dabei finden unter anderem induktive Geräte, d. h. Geräte, die ein Magnetfeld erzeugen, welches durch die in einem Medium eingeschlossenen, metallischen Gegenstände gestört wird, Verwendung.
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Stand der Technik im Bereich der Metallsensoren zum Auffinden metallischer Objekte, wie beispielsweise Armierungseisen, Rohre oder Kabel, in Wänden oder Böden sind spulenbasierte Metallsensoren. Diese gibt es in verschiedenen Ausführungen: (i) feldkompensiert, (ii) differentiell, (iii) feldkompensiert und differentiell.
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Aufgabe der Erfindung ist die Verbesserung von Metallsensoren zum Auffinden metallischer Objekte in Wänden und Böden unter dem Aspekt der Miniaturisierung, Integration sowie der Leistungsfähigkeit.
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Offenbarung der Erfindung
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Ein Kern der Erfindung ist ein Metallsensor zum Auffinden metallischer Objekte in Wänden und Böden, der die Vorteile feldkompensierter, differentieller, spulen-basierter Sensoren vereint und sich die zusätzlichen Vorteile von speziellen Magnetfeldsensoren, insbesondere preisgünstige Hallsensoren, aber auch AMR/GMR basierte Magnetometer sowie SQUIDS, zunutze macht. (AMR-Sensor: anisotropic magneto-resistive Sensor; GMR-Sensor: giant magneto-resistive Sensor; SQUID: superconducting quantum interference device) Vorteile dieser o. g. Magnetfeldsensoren sind die kompakte Baugröße, eine hohe Sensitivität, insbesondere eine Sensitivität auf lokale Magnetfeldänderungen anstelle von Änderungen des magnetischen Flusses durch größere Bereiche. Hieraus ergeben sich unmittelbare Vorteile für den Metallsensor: kompakte Größe, da die Sensoren selbst klein sind und beispielsweise kleine (Print-)Spulen ausreichen um hinreichend große Felder zu erzeugen (wegen der großen Sensitivität), Integration mehrerer Einzelsensoren, daraus resultieren vorteilhafte Eigenschaften wie die Möglichkeit zur Positions-/Tiefenschätzung bis hin zu einer bildhaften Auflösung der zu detektierenden Objekte.
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Die Erfindung schlägt hierzu ein System aus Sendespulen und Magnetfeldsensoren vor. Die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung zur Lokalisierung von in einem Medium eingeschlossenen Objekten, insbesondere zur Detektion von metallischen Gegenständen, besitzt eine Anordnung mit zumindest zwei Spulen und einem Magnetfeldsensor, wobei die Anordnung von Spulen und Magnetsensor zueinander und/oder die Anzahl der Spulenwindungen und/oder der Wicklungssinn der Spulen und/oder der Spulenstrom derart gewählt ist/sind, dass das von den Spulen erzeugte Magnetfeld am Ort des Magnetfeldsensors näherungsweise verschwindet.
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Ein Objekt im Bereich des von den Spulen erzeugten Magnetfeldes (= „Primärfeld”) erzeugt ein „Sekundärfeld”. Dieses Sekundärfeld kann dann erfindungsgemäß mittels eines Magnetfeldsensors gemessen werden. Die in dieser Anordnung erreichbare Kompensation des Primärfeldes am Ort des Magnetfeldsensors ist für die Verwendung von Magnetfeldsensoren zur Detektion von metallischen/magnetisierbaren Objekten) sehr vorteilhaft, da zu hohe Magnetfelder den Magnetfeldsensor aus seinem Arbeitsbereich bringen würden. Hohe Magnetfelder sind aber bei der Messung notwendig um am Ort des Objektes ausreichend hohe Magnetfelder zu erzeugen, so dass die daraus resultierenden Sekundärfelder am Ort des Sensors noch hinreichend hoch sind. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht es in vorteilhafter Weise das Primärfeld zu minimieren oder gar zum verschwinden zu bringen, wobei aber das durch das Primärfeld induzierte Sekundärfeld eines zu detektierenden Objektes hinreichend groß wird, um mit einem Magnetfeldsensor detektiert zu werden.
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Ein weiterer Vorteil der Kompensation des Primärfeldes ist es, dass das Verhältnis aus objektbedingtem Signal (Signal resultierend aus Sekundärfeld) zu Grundsignal (Signal resultierend aus Primärfeld) um mehrere Größenordnungen verbessert wird.
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Das beschriebene System aus Sendespulen und Magnetfeldsensor lässt sich dabei in vorteilhafter weise mit einer Ansteuerung nach dem Gegentakt-Regler Prinzip realisieren. Vorteile des Gegentaktreglers sind hierbei die hohe Dynamik über einen großen Feldbereich sowie der hohe Signal-Rausch-Abstand durch die vorteilhafte Verwendung eines Synchrondemodulators.
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Bei Verwendung von Printspulen sind die Sekundärfelder sehr klein (typischerweise wenige 10 nT). Daher eignen sich für eine solche Ausführungsform insbesondere die hochempfindlichen AMR/GMR Magnetsensoren während Hall-Sensoren in diesem Fall weniger geeignet sind.
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Die Verwendung von periodischen Anregungsfeldern ist vorteilhaft, da sich der objektbedingte Anteil des Empfangssignal aufgrund seiner Frequenz dann sehr gut von Störungen und Rauschen trennen lässt (z. B. mit einem Synchrondemodulator).
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Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel, sowie den Zeichnungen und der zugehörigen Beschreibung.
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Zeichnung
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung dargestellt, das in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert werden soll. Die Figuren der Zeichnung, deren Beschreibung sowie die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Ein Fachmann wird diese Merkmale auch einzeln betrachten und zu anderen, bzw. weiteren sinnvollen Kombinationen zusammenfassen.
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Es zeigt:
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1 eine typische Anordnung einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung in einer stark schematisierten Darstellung,
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2a, 2b das berechnete Magnetfeld zweier Spulen der Sensorvorrichtung in einer graphischen Darstellung,
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3a, 3b das berechnete Magnetfeld der Spulen der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung in zwei orthogonalen Richtungen,
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4a, 4b die berechnete z-Komponente des Primärmagnetfeld zweier Spulen der Sensorvorrichtung, sowie das durch ein Objekt erzeugte Sekundärmagnetfeld, in einer Übersichts- (2a), sowie in einer Detaildarstellung (2b),
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5 Ansteuerung der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung mittels eines Gegentaktreglers,
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6 ein Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Werkzeuggerät in Form eines Ortungsgerätes.
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Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
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1 zeigt eine mögliche Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung 10 in einer schematisierten Darstellung.
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Die in der 1 beispielhaft gezeigte Anordnung einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung weist zwei Spulen („outer coil 12”, „inner coil 14”) auf, die dazu verwendet werden, im Raum ein sich periodisch änderndes quasi-stationäres Magnetfeld (hier insbesondere ein Dipolfeld) zu erzeugen (Siehe hierzu auch beispielsweise 2). Ein Magnetfeldsensor 16, der beispielsweise als ein Hallsensor, ein AMR- oder auch GMR-Sensor oder aber auch als SQUID ausgebildet sein kann, wird dazu verwendet, ein Magnetfeld zu messen, welches insbesondere durch ein zu detektierendes Objekt erzeugt wird. Die Anordnung der Spulen und des Sensors zueinander, sowie Anzahl der Windungen, Wicklungssinn, und Spulenstrom der Spulen sind dabei erfindungsgemäß derart gewählt, dass das von den Spulen erzeugte Magnetfeld am Ort des Magnetfeldsensors (und idealerweise nur dort) näherungsweise (und idealerweise exakt) verschwindet, d. h. zu Null wird, also an der Stelle des Magnetfeldsensors eine Feldkompensation stattfindet. (Siehe hierzu beispielsweise auch die berechneten Felder in 3). Eine ideale Feldkompensation, bei der das Magnetfeld der Spulen im mathematischen Sinne zu Null wird, ist unter praktischen Gesichtspunkten kaum zu realisieren. Dies soll durch die Bezeichnung „näherungsweise” verschwindet zum Ausdruck gebracht sein. Rest und sogenannte ”Schmutzeffekte”, die die absolute Eliminierung des Magnetfeldes in letzter Konsequenz verhindern, fallen unter die näherungsweise Kompensation.
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Die zwei Spulen 12, 14 der Sensorvorrichtung im Ausführungsbeispiel der 1 sind konzentrisch zueinander in einer gemeinsamen Ebene, insbesondere auf einer gemeinsamen Leiterplatte 18 ausgebildet.
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Für zwei in einer Ebene angeordnete, konzentrische Spulen mit entgegen gesetztem Windungssinn verschwindet das Magnetfeld am Mittelpunkt der beiden Spulen – wenn diese vom selben Strom durchflossen werden – unter der Bedingung:. N/d = N'/d'(I)
- N:
- Windungszahl der äußeren Spule,
- d:
- Durchmesser der äußeren Spule,
- N':
- Windungszahl der inneren Spule,
- d':
- Durchmesser der inneren Spule.
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Streng genommen muss für die obige Beziehung (I) der jeweilige Spulendurchmesser groß sein gegenüber dem Abstand der einzelnen Spulenwindungen in der Spule.
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Ein Vorteil der Verwendung von zwei Spulen mit entgegen gesetztem Windungssinn ist es insbesondere, dass man die Spulen in Reihe verschalten kann.
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Im Ausführungsbeispiel der 1 sind die Spulen als Printspulen auf der Leiterplatte 18 ausgebildet. In alternativen Ausführungsformen können auch konventionelle Spulen, auch mehr als zwei Spulen und insbesondere auch nicht konzentrisch angeordnete Spulen genutzt werden.
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So ist es auch möglich, dass sich die Sendespulen nebeneinander befinden und / oder beispielsweise überlappen. Ein Kern der Erfindung ist es jedoch, den Magnetfeldsensor stets in einen Bereich verschwindenden Spulen Magnetfeldes anzubringen.
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Bei geeigneter Spulenanordnung, Windungszahlen und Wicklungssinn ist es möglich die Spulen elektrisch seriell zu verschalten. Sie werden dann vom selben Strom durchflossen und Änderungen dieses Stroms, die beispielsweise durch Temperatur- oder auch andere Umgebungseinflüsse erzeugt werden, wirken sich in vorteilhafter Weise nicht auf die Feldkompensation am Ort des Magnetfeldsensors aus.
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Im Zentrum, d. h. im Mittelpunkt der kreisförmigen Spulen 12, 14 ist im Ausführungsbeispiel der 1 ein Magnetfeldsensor 16 in der Ausführungsform eine GMR-Sensors angeordnet. Alternative Magnetfeldsensoren sind aber ebenso möglich.
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Ein Objekt im Bereich des von den Spulen 12, 14 erzeugten Magnetfeldes (= „Primärfeld”) erzeugt ein „Sekundärfeld”. Dieses Sekundärfeld wird dann erfindungsgemäß vom Magnetfeldsensor 16 gemessen. Auf diese Art kann ein Objekt detektiert werden. (Vgl. hierzu auch 4.)
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Die Vorzugsrichtung des Sensors, also diejenige Richtung zu der Magnetfelder parallel sein müssen, um vom Sensor mit maximaler Empfindlichkeit gemessen zu werden, sollte bei einer planaren, konzentrischen Spulenanordnung mit Magnetfeldsensor in der Spulenmitte, wie sie in 1 dargestellt ist, in Normalrichtung der Spulenebene zeigen.
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Die Kompensation des Primärfeldes am Ort des Magnetfeldsensors 16 ist für die Verwendung eines Magnetfeldsensors in dieser Anwendung (Detektion von metallischen/magnetisierbaren Objekten) vorteilhaft, da zu hohe Magnetfelder den Sensor 16 aus seinem Arbeitsbereich bringen. Hohe Magnetfelder sind aber notwendig um am Ort des Objektes ausreichend hohe Magnetfelder zu erzeugen, so dass die daraus resultierenden Sekundärfelder am Ort des Sensors 16 noch hinreichend hoch sind. Weiterer Vorteil der Kompensation des Primärfeldes ist, dass das Verhältnis aus objektbedingtem Signal (Signal resultierend aus Sekundärfeld) zu Grundsignal (Signal resultierend aus Primärfeld) um mehrere Größenordnungen verbessert wird.
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Bei der Optimierung der Durchmesser der Spulen der erfindungsgemäßen Sensoranordnung sind zwei gegenläufige Effekt zu berücksichtigen:
- (1) Der Dipolcharakter des Gesamtfeldes ist umso ausgeprägter, wenn die innere Spule einen möglichst kleinen Durchmesser im Verhältnis zur äußeren Spule hat.
Der Durchmesser der inneren Spule ist dabei im Wesentlichen begrenzt durch die Größe des Magnetfelssensors und liegt damit bei einem Minimalwert von ca. 5 mm
- (2) Allerdings ist der Magnetfeldgradient im Bereich der Nullstelle des Feldes umso kleiner je weniger sich das Verhältnis der Spulendurchmesser von dem Wert eins unterscheidet. Dies verringert die Anforderungen an die Positionierungsgenauigkeit des Magnetfeldsensors.
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2a und 2b zeigen das berechnete Magnetfeld zweier Printspulen (äußere Spule mit 4 Windungen, Radius 2 cm), innere Spule (1 Windung, Radius 0.5 cm) in der x-z-Ebene. Das Magnetfeld ist rotationssymmetrisch um die z-Achse. Die linke 2a zeigt das dipolförmige Feld im Außenbereich, die rechte 2b zeigt die Kompensation der von den beiden Spulen erzeugten Felder im Bereich der inneren Spule.
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Neben den hier beschriebenen Dipolanordnungen sind auch Quadrupol-Anordnungen denkbar, die nach dem gleichen Prinzip arbeiten.
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3a und 3b zeigen errechnete Beträge des Magnetfeldes der äußeren Spule (A), der äußeren und inneren Spule (B). Die Kurven zeigen, dass das Magnetfeld von äußerer und innerer Spule zusammen am Ursprung verschwindet (sogenannte „Feldkompensation”). Das Feld im Außenbereich wird von der Kompensation nahezu nicht beeinflusst. Dies ist wichtig um dieselbe Sensorreichweite zu gewährleisten, die ohne die zusätzliche Kompensationsspule in Form der inneren Spule erreicht würde.
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4 zeigt die z-Komponente des primären (C) und sekundären Magnetfeldes (D) entlang der z-Achse. (4b stellt dabei einen Detailausschnitt in unmittelbarer Nähe des Nullpunktes dar, vergleiche hierzu die jeweiligen Skalen). Quelle des Sekundärfeldes ist in dieser Simulation eine Eisenkugel (mit relativer magnetischer Permeabilität μ = 1000 und Durchmesser 1 cm), die sich 5 cm vom Sensor entfernt auf der z-Achse befindet. Berechnet ist der Fall für kleine Frequenzen des Anregungsfeldes (ω → 0). Zu beachten ist, dass ohne die innere Kompensationsspule das Sensorfeld im Ursprung/Nullpunkt den wert 1 hätte, also einen Faktor 10.000 größer wäre als das Objektfeld.
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Das beschriebene System aus Sendespulen und Magnetfeldsensor lässt sich sehr gut und vorteilhaft mit einem Gegentakt-Regler 20 ansteuern. Vorteile des Gegentaktreglers sind die hohe Dynamik über einen großen Feldbereich sowie der hohe Signal-Rausch-Abstand durch Verwendung eines Synchrondemodulators.
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5 zeigt eine beispielhafte Verschaltung der Spulen und des Magnetsensors im Gegentaktbetrieb.
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Der Gegentaktregler 20 besteht dabei in der Ausführungsform nach 5 aus einer Signalquelle 24, regelbaren Verstärkern 26, 28, Synchrondemodulator 22 und integrierendem Komparator 30. Die regelbaren Verstärker 26, 28 bestromen die beiden Sendespulen 12, 14 mit 180° phasenverschobenen, sich periodisch ändernden Strömen unabhängiger Amplitude. Die Sendespulen (beispielsweise äußere und innere Spule entsprechend 1) sind nun so gewickelt, dass sie zumindest in Abwesenheit von metallischen/magnetisierbaren Objekten im Bereich des Sendespulenfeldes – zumindest zu einem Zeitpunkt – entgegengesetzt gerichtete Magnetfelder erzeugen, die sich am Ort des Sensors aufheben. Der Sensor 16 ist gegebenenfalls über einen optionalen Verstärker 32 mit dem Synchrondemodulator 22 verbunden. Die Gegentaktregelung über den integrierenden Komparator 30 regelt die Amplituden der Sendespulenströme mittels der regelbaren Verstärker 26, 28 nun derart, dass am Ort des Sensors auch bei Anwesenheit eines metallischen/magnetisierbaren Objektes im Bereich des Sendespulenfeldes zumindest zu einem Zeitpunkt das Magnetfeld verschwindet. Dieser Regelwert ändert sich bei Anwesenheit eines metallischen/magnetisierbaren Objektes und kann daher dazu verwendet werden ein solches zu detektieren.
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Neben dem hier gezeigten System einer Sensorvorrichtung mit zwei Spulen und einem Magnetfeldsensor sind jedoch auch Systeme mit mehr als zwei Spulen und/oder mehreren Magnetfeldsensoren denkbar und auch sinnvoll.
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So ist insbesondere auch die Verwendung mehrerer ”Kompensationsspulen” (Im Ausführungsbeispiel die innere Spule 14 zur Aufhebung des Primärfeldes) an unterschiedlichen Orten möglich. Möglich sind hierbei Sensorsysteme, bei denen die Positionen der mehreren Kompensationsspulen sowohl innerhalb als auch außerhalb der ”äußeren” Sendespule angeordnet sind.
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Auch kann es vorteilhaft sein, die Sendespulen in unterschiedlichen Ebenen anzuordnen.
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Auch die Verwendung mehrerer Magnetfeldsensoren an jeweils den Orten, die von der jeweiligen Kompensationsspule feldfrei gehalten werden ist eine vorteilhafte Variante der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung. Vorteil hiervon ist, dass man das Sekundärfeld (also das von einem zu messenden Objekt erzeugte Feld) an unterschiedlichen Orten ausmessen und damit zumindest im Prinzip Rückschlüsse auf Objekteigenschaften, wie beispielsweise die laterale Position, die Einschlusstiefe oder auch die Orientierung, ziehen kann
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6 zeigt ein mögliches Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Werkzeuggerät als Messgerät, in Form eines handhaltbaren Ortungsgeräts 86g, welches eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung aufweist. Das Handortungsgerät 86g weist eine Ortungsvorrichtung 24g mit einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung 26g auf. Die Sensorvorrichtung 26g umfasst in bereits beschriebener Weise zumindest zwei Spulen und zumindest einen Magnetfeldsensor, die in erfindungsgemäßer Weise angeordnet sind und nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeiten. Die Ortungsvorrichtung 24g umfasst des Weiteren eine Ansteuereinheit 28g, insbesondere mit einer Gegentaktregelung 20, sowie eine Auswerteeinheit 30g zur Verarbeitung und Aufarbeitung der Messsignale auf. So kann insbesondere das Regelsignal 32 der Gegentaktregelung 20 (siehe hierzu auch 5) von der Auswerteeinheit 30g genutzt werden, um ein Objekt als detektiert oder nicht detektiert zu charakterisieren. Das heißt, das Regelsignal 32 der Gegentaktregelung der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung wird zur Detektion der Objekte verwendet.
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Das Handortungsgerät 86g weist zudem Rollen 88g mit nicht näher dargestellten Wegmessmitteln auf, mittels denen ein Bediener das Handortungsgerät 86g an dem Medium entlang verfahren kann. Auf einem Display 90g des Handortungsgerät 86g stellt das Handortungsgerät 86g detektierte Objekte in Abhängigkeit von dem verfahrenen Weg dar. Die Wegsensorik ermöglicht die Zuordnung eines Detektionswertes der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung zu einer Ortsposition des Messgerätes. Insbesondere ermöglicht das erfindungsgemäße Messgerät die korrelierte Darstellung von Detektionssignal und Position von eingeschlossenen Objekten über eine entsprechende Ausgabeeinheit, 90g, insbesondere ein graphisches Display. In einfacheren Ausführungsformen kann auch die Wegsensorik verzichtet werden und die Detektion eines Objektes beispielsweise lediglich durch ein Lichtsignal und(/oder ein akustisches Signal übermittel werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. ein nach diesem Verfahren arbeitendes Werkzeuggerät ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt.
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Insbesondere ist das erfindungsgemäße Verfahren nicht beschränkt auf die Verwendung zweier Sendespule, insbesondere zweiter konzentrisch angeordneter Sendespulen. So ist es auch möglich, dass sich die Sendespulen nebeneinander befinden und/oder beispielsweise überlappen. Ein Kern der Erfindung ist es, den Magnetfeldsensor in einen Bereich verschwindenden Spulen Magnetfeldes anzubringen.
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Neben den hier gezeigten System mit zwei Spulen sind jedoch auch Systeme mit mehr als zwei Spulen denkbar und auch sinnvoll.
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So ist insbesondere auch die Verwendung mehrerer ”Kompensationsspulen” (innere Spulen) an unterschiedlichen Orten möglich. Möglich sind hierbei Sensorsysteme bei denen die Positionen der mehreren Kompensationsspulen sowohl innerhalb als auch außerhalb der ”äußeren” Sendespule angeordnet sind.
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Auch kann es vorteilhaft sein, die Sendespulen in unterschiedlichen Ebenen anzuordnen.
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Auch die Verwendung mehrerer Magnetfeldsensoren an jeweils den Orten, die von der jeweiligen Kompensationsspule feldfrei gehalten werden ist eine vorteilhafte Variante der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung. Vorteil hiervon ist, dass man das Sekundärfeld (also das von einem zu messenden Objekt erzeugte Feld) an unterschiedlichen Orten ausmessen und damit zumindest im Prinzip Rückschlüsse auf Objekteigenschaften, wie beispielsweise die laterale Position, die Einschlusstiefe oder auch die Orientierung, ziehen kann
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Auch könnte das Magnetfeld durch ein Abschirmvorrichtung zu Null gebracht werden und der Magnetsensor an entsprechender Stelle angebracht sein.
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Das erfindungsgemäße Werkzeuggerät ist nicht auf ein Messgerät, insbesondere eine Ortungsgerät beschränkt. Auch sägende, schleifende oder bohrende Werkzeuggeräte können mit der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung ausgestattet sein, sei es als in das Werkzeuggerät integriertes Messsystem oder aber auch als ein am Werkzeuggerät anzubringendes Zubehör.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004011285 A1 [0003]
