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Die Erfindung betrifft einen Metallsensor gemäß Patentanspruch 1, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Metallsensors gemäß Patentanspruch 11.
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Stand der Technik
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Metallsensoren zum Auffinden von metallischen oder anderweitig magnetisierbaren Objekten in Wänden, Böden oder im Erdreich sind aus dem Stand der Technik bekannt und verwenden Spulen zur Anregung von Magnetfeldern sowie zum Messen von Änderungen des magnetischen Flusses. Objekte werden dadurch erkannt, dass die gemessenen Flussänderungen sich unterscheiden, je nachdem, ob ein magnetisierbares Objekt vorhanden ist oder nicht. Die gemessene Flussänderung ist zum Teil direkte Folge des anregenden Magnetfeldes sowie zum Teil die Folge des vom magnetisierbaren Objekt ausgehenden Magnetfeldes. Das vom Objekt ausgehende Magnetfeld ist wiederum in der Regel eine Folge des anregenden Magnetfeldes.
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Aus der unveröffentlichten Patentanmeldung mit dem anmelderinternen Aktenzeichen R.335154 ist ein Metallsensor bekannt, der zwei Spulen aufweist, die vorgesehen sind, zwei einander entgegengesetzt orientierte Magnetfelder zu erzeugen, deren Überlagerung am Ort eines Magnetfeldsensors des Metallsensors näherungsweise verschwindet. Dadurch detektiert der Magnetfeldsensor des Metallsensors bei Abwesenheit eines magnetisierbaren Objekts ein Nullsignal, wodurch sich ein günstiges Signal-Rausch-Verhältnis und eine hohe Dynamik ergeben. Das Nullsignal ist außerdem unabhängig von einer Umgebungstemperatur. Bei Anwesenheit eines magnetisierbaren Objekts weicht das Messsignal des Magnetfeldsensors allerdings von einem Nullsignal ab und ist im Allgemeinen nicht temperaturunabhängig.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, einen verbesserten Metallsensor mit reduzierter oder eliminierter Temperaturabhängigkeit bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch einen Metallsensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Es ist weiter Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben des verbesserten Metallsensors anzugeben. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Ein erfindungsgemäßer Metallsensor umfasst eine Primärspule, eine Kompensationsspule, eine erste weitere Spule und einen Magnetfeldsensor. Dabei kann die erste weitere Spule bestromt werden, ohne die Primärspule und die Kompensationsspule zu bestromen. Vorteilhafterweise kann bei diesem Metallsensor mittels des Magnetfeldsensors die Größe eines nur durch die erste weitere Spule generierten Magnetfelds gemessen werden. Hieraus kann vorteilhafterweise eine Temperaturabhängigkeit des Metallsensors bestimmt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Metallsensors umfasst dieser eine zweite weitere Spule, die bestromt werden kann, ohne die Primärspule und die Kompensationsspule zu bestromen. Dabei ist die zweite weitere Spule vorgesehen, ein Magnetfeld zu erzeugen, das antiparallel zu einem von der ersten weiteren Spule generierbaren Magnetfeld orientiert ist. Zweckmäßig ist das von der zweiten weiteren Spule erzeugte Magnetfeld von der gleichen Stärke wie das von der ersten weiteren Spule erzeugte Magnetfeld. Vorteilhafterweise überlagern sich dann die durch die erste weitere Spule und die zweite weitere Spule erzeugten, antiparallelen, Magnetfelder, wodurch sich ihre Dipolmomente aufheben, was dazu führt, dass das Fernfeld der beiden weiteren Spulen in führender Ordnung Quadrupolcharakter hat. Dadurch fällt die Stärke des durch die weiteren Spulen erzeugten Magnetfelds mit dem Abstand rasch ab, wodurch eine Wechselwirkung dieses Magnetfelds mit eventuell vorhandenen metallischen oder magnetisierbaren Objekten ausgeschlossen ist.
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In einer Ausführungsform des Metallsensors umfasst dieser einen scheibenförmigen Schaltungsträger. Dabei sind die Primärspule, die Kompensationsspule und die erste weitere Spule auf einer ersten Oberfläche des Schaltungsträgers angeordnet, während die zweite weitere Spule auf einer zweiten Oberfläche des Schaltungsträgers angeordnet ist. Ist der scheibenförmige Schaltungsträger mehrlagig, so können die Spulen auch auf Innenlagen angeordnet sein. Vorteilhafterweise kann der Magnetfeldsensor dann so angeordnet werden, dass sich die durch die erste weitere Spule und die zweite weitere Spule erzeugten Magnetfelder am Ort des Magnetfeldsensors nicht vollständig aufheben.
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Es ist zweckmäßig, dass ein bei gleichzeitiger Bestromung der Primärspule, der Kompensationsspule, der ersten weiteren Spule und der zweiten weiteren Spule generiertes Magnetfeld am Ort des Magnetfeldsensors verschwindet. Vorteilhafterweise generiert der Magnetfeldsensor dann bei Abwesenheit eines magnetisierbaren Objekts in der Umgebung des Metallsensors ein Nullsignal, wodurch sich eine Temperaturunabhängigkeit, ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis und eine hohe Dynamik ergeben.
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In einer Ausführungsform des Metallsensors sind die Primärspule, die Kompensationsspule und die erste weitere Spule in Reihe geschaltet. Vorteilhafterweise wird dadurch sichergestellt, dass die Primärspule, die Kompensationsspule und die erste weitere Spule stets von einer exakt gleichen Stromstärke durchflossen werden.
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In einer Ausführungsform des Metallsensors können die Primärspule und die Kompensationsspule kurzgeschlossen werden, um die erste weitere Spule zu bestromen, ohne die Primärspule und die Kompensationsspule zu bestromen. Vorteilhafterweise ermöglicht dies eine serielle Anordnung der Primärspule, der Kompensationsspule und der ersten weiteren Spule und erlaubt dennoch eine einzelne Bestromung lediglich der ersten weiteren Spule. In einer alternativen Ausführungsform können die Primärspule und die Kompensationsspule jedoch abgeklemmt werden, anstatt kurzgeschlossen zu werden.
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In einer Weiterbildung des Metallsensors ist ein Widerstandsbauteil mit der Primärspule, der Kompensationsspule und der ersten weiteren Spule in Reihe geschaltet, wobei ein elektrischer Widerstand des Widerstandsbauteils etwa dem Innenwiderstand der Reihenschaltung aus Primärspule und Kompensationsspule entspricht. Dabei kann das Widerstandsbauteil kurzgeschlossen werden. Vorteilhafterweise kann das Widerstandsbauteil dann in der Reihenschaltung zugeschaltet werden, wenn die Primärspule und die Kompensationsspule durch Kurzschließen aus der Reihenschaltung entfernt werden. Vorteilhafterweise bleibt der elektrische Widerstand der Reihenschaltung dann etwa konstant, wodurch auch ein durch die Reihenschaltung fließender Strom konstant bleibt, wodurch eine durch zu- oder abnehmenden Stromfluss verursachte Temperaturänderung vermieden wird.
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In einer zusätzlichen Weiterbildung des Metallsensors weist dieser eine Vorrichtung zur Messung eines in den Spulen fließenden elektrischen Stroms auf. Vorteilhafterweise erlaubt eine Messung des in den Spulen fließenden Stroms eine Kompensation einer Temperaturabhängigkeit des in den Spulen fließenden Stroms.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines Metallsensors der vorgenannten Art umfasst Schritte zum Bestromen der ersten weiteren Spule, ohne die Primärspule und die Kompensationsspule zu bestromen und zum Messen einer ersten Ausgangsspannung des Magnetfeldsensors, zum Bestromen der ersten weiteren Spule, ohne die Primärspule und die Kompensationsspule zu bestromen und zum Messen einer zweiten Ausgangsspannung des Magnetfeldsensors, zum Bestromen der Primärspule, der Kompensationsspule und der ersten weiteren Spule und zum Messen einer dritten Ausgangsspannung des Magnetfeldsensors, sowie zum Multiplizieren der dritten Ausgangsspannung mit einem Quotienten aus der ersten Ausgangsspannung und der zweiten Ausgangsspannung, um eine korrigierte dritte Ausgangsspannung zu erhalten. Vorteilhafterweise gestattet dieses Verfahren eine exakte Elimination einer Temperaturabhängigkeit des Magnetfeldsensors des Metallsensors. Außerdem gestattet das Verfahren auch eine Elimination einer Temperaturabhängigkeit eines durch die Spulen fließenden Stroms, falls eine Induktivität der Spulen vernachlässigt werden kann und ein Kurzschluss der Primärspule und der Kompensationsspule nicht zu einer signifikanten Erwärmung der weiteren Spulen und damit zu einer Änderung der Ohmschen Widerstände dieser Spulen führt.
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In einer Weiterbildung des Verfahrens wird die erste Ausgangsspannung bei einer festgelegten ersten Temperatur gemessen, die zweite Ausgangsspannung bei einer zweiten Temperatur gemessen, die dritte Ausgangsspannung bei der zweiten Temperatur gemessen.
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In einer Weiterbildung des Verfahrens wird die erste Ausgangsspannung bei einer festgelegten ersten Temperatur gemessen, die zweite Ausgangsspannung bei einer zweiten Temperatur gemessen, im zweiten Schritt außerdem ein in der ersten weiteren Spule fließender erster Strom bei der zweiten Temperatur gemessen, die dritte Ausgangsspannung bei der zweiten Temperatur gemessen, im dritten Schritt zusätzlich ein in der ersten weiteren Spule fließender zweiter Strom bei der zweiten Temperatur gemessen, und die korrigierte dritte Ausgangsspannung mit einem Quotienten aus dem ersten Strom und dem zweiten Strom multipliziert, um eine vierte Ausgangsspannung zu erhalten. Vorteilhafterweise gestattet das Verfahren in dieser Weiterbildung auch eine Kompensation einer Temperaturabhängigkeit der Spulenströme in dem Fall, dass die Induktivitäten der Spulen nicht vernachlässigt werden können.
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Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine Aufsicht auf eine Oberseite eines Schaltungsträgers eines Metallsensors;
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2 eine Durchsicht auf eine Unterseite des Schaltungsträgers;
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3 eine Durchsicht auf eine Unterseite eines Schaltungsträgers eines Metallsensors einer alternativen Ausführungsform; und
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4 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines Metallsensors.
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1 zeigt einen Ausschnitt eines Metallsensors 100. Der Metallsensor 100 dient zum Auffinden von metallischen oder anderweitig magnetisierbaren Objekten, die in einer Wand, einem Boden oder im Erdreich verborgen sind. Das magnetisierbare Objekt kann eine Entfernung von beispielsweise 10 cm oder 20 cm vom Metallsensor 100 aufweisen.
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1 zeigt eine Aufsicht auf eine Oberseite 111 eines Schaltungsträgers 110 des Metallsensors 100. Der Schaltungsträger 110 ist als flache scheibenförmige Lage ausgebildet und kann beispielsweise eine Leiterplatte sein. Die auf der Oberseite 111 des Schaltungsträgers 110 angeordneten Strukturen können beispielsweise aufgedruckt sein.
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Auf der Oberseite 111 des Schaltungsträgers 110 sind eine Primärspule 200, eine Kompensationsspule 300 und eine erste weitere Spule 400 angeordnet. Die Spulen 200, 300, 400 sind jeweils kreisförmig ausgebildet und konzentrisch zueinander angeordnet. Die Primärspule 200 weist einen größeren Radius als die Kompensationsspule 300 auf. Die Kompensationsspule 300 weist einen größeren Radius als die erste weitere Spule 400 auf. Die in 1 dargestellten Windungszahlen der Spulen 200, 300, 400 sind lediglich beispielhaft gewählt. Die Spulen 200, 300, 400 können auch mehr oder weniger Windungen aufweisen als in 1 dargestellt.
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Die Spulen können auch eine andere Form haben (z.B. rechteckig) und müssen nicht konzentrisch angeordnet sein. Form und Anordnung müssen gewährleisten, dass im objektfreien Fall das Magnetfeld der Primärspule, der Kompensationsspule und der weiteren Spulen am Ort des Magnetfeldsensors verschwindet und dass das Magnetfeld der weiteren Spulen am Ort des Magnetfeldsensors nicht verschwindet,
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Die Primärspule 200 weist an ihrem äußeren Ende einen ersten Kontakt 210 und an ihrem inneren Ende einen zweiten Kontakt 220 auf. Die Kompensationsspule 300 weist an ihrem äußeren Ende einen ersten Kontakt 310 und an ihrem inneren Ende einen zweiten Kontakt 320 auf. Die erste weitere Spule 400 weist an ihrem äußeren Ende einen ersten Kontakt 410 und an ihrem inneren Ende einen zweiten Kontakt 420 auf. Der zweite Kontakt 220 der Primärspule 200 ist elektrisch leitend mit dem ersten Kontakt 310 der Kompensationsspule 300 verbunden. Der zweite Kontakt 320 der Kompensationsspule 300 ist elektrisch leitend mit dem ersten Kontakt 410 der ersten weiteren Spule 400 verbunden.
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2 zeigt eine Durchsicht des Schaltungsträgers 110, in der auf einer der Oberseite 111 gegenüberliegenden Unterseite 112 angeordnete Strukturen des Schaltungsträgers 110 sichtbar sind.
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Die Unterseite 112 des Schaltungsträgers 110 weist eine zweite weitere Spule 500 auf, die den gleichen Durchmesser und die gleiche Windungszahl wie die erste weitere Spule 400 aufweist. Ferner weist die Unterseite 112 des Schaltungsträgers 110 einen ersten Anschluss 121, einen zweiten Anschluss 122, einen dritten Anschluss 123 und einen vierten Anschluss 124 auf. Die Anschlüsse 121, 122, 123, 124 stellen nach außen zugängliche Anschlüsse des Schaltungsträgers 110 dar und können elektrisch leitend mit anderen Komponenten des Metallsensors 100 verbunden sein. Ferner weist die Unterseite 112 des Schaltungsträgers 110 einen fünften Anschluss 125, einen sechsten Anschluss 126, einen siebten Anschluss 127 und einen achten Anschluss 128 auf. Der achte Anschluss 128 ist elektrisch leitend mit einem inneren Ende der zweiten weiteren Spule 500 verbunden. Ein äußeres Ende der zweiten weiteren Spule 500 ist elektrisch leitend mit dem ersten Anschluss 121 verbunden.
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Der Schaltungsträger 110 weist außerdem eine erste Durchkontaktierung 131 auf, die den zweiten Anschluss 122 elektrisch leitend mit dem ersten Kontakt 210 der Primärspule 200 verbindet. Die erste Durchkontaktierung 131 ist, wie alle weiteren Durchkontaktierungen des Schaltungsträgers 110, als elektrisch leitende, durch den Schaltungsträger 110 verlaufende Durchkontaktierung (Via) ausgebildet. Eine zweite Durchkontaktierung 132 verbindet den fünften Anschluss 125 elektrisch leitend mit dem zweiten Kontakt 220 der Primärspule 200. Eine dritte Durchkontaktierung 133 verbindet den sechsten Anschluss 126 elektrisch leitend mit dem ersten Kontakt 310 der Kompensationsspule 300. Eine vierte Durchkontaktierung 134 verbindet den siebten Anschluss 127 elektrisch leitend mit dem zweiten Kontakt 320 der Kompensationsspule 300. Eine fünfte Durchkontaktierung 135 verbindet den achten Anschluss 128 elektrisch leitend mit dem zweiten Kontakt 420 der ersten weiteren Spule 400.
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Die Unterseite 112 des Schaltungsträgers 110 weist weiter einen ersten Schalter 141 und einen zweiten Schalter 142 auf. Die Schalter 141, 142 können beispielsweise als Feldeffekttransistoren ausgebildet sein. Ein erster Kontakt des ersten Schalters 141 ist leitend mit dem zweiten Anschluss 122 verbunden. Ein zweiter Kontakt des ersten Schalters 141 ist elektrisch leitend mit dem fünften Anschluss 125 verbunden. Ein Steuerkontakt des ersten Schalters 141 ist elektrisch leitend mit dem dritten Anschluss 123 verbunden. Der erste Schalter 141 ist ausgebildet, den zweiten Anschluss 122 und den fünften Anschluss 125 in Abhängigkeit eines am dritten Anschluss 123 anliegenden Steuersignals leitend miteinander zu verbinden oder voneinander zu isolieren. Ein erster Kontakt des zweiten Schalters 142 ist elektrisch leitend mit dem sechsten Anschluss 126 verbunden. Ein zweiter Kontakt des zweiten Schalters 142 ist elektrisch leitend mit dem siebten Anschluss 127 verbunden. Ein Steuerkontakt des zweiten Schalters 142 ist elektrisch leitend mit dem vierten Anschluss 124 verbunden. Der zweite Schalter 142 ist ausgebildet, den sechsten Anschluss 126 und den siebten Anschluss 127 in Abhängigkeit eines am vierten Anschluss 124 anliegenden Steuersignals elektrisch leitend miteinander zu verbinden oder voneinander zu isolieren.
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Der Schaltungsträger 110 weist ferner einen Magnetfeldsensor 150 auf, der im dargestellten Beispiel im Zentrum der Spulen 200, 300, 400, 500 angeordnet ist. Der Magnetfeldsensor 150 kann beispielsweise in einer Aussparung oder einem Durchbruch des Schaltungsträgers 110 angeordnet sein. Der Magnetfeldsensor 150 ist bevorzugt als magnetoresistiver Magnetfeldsensor ausgebildet, kann jedoch auch eine andere Art von Magnetfeldsensor sein. Der Magnetfeldsensor 150 ist dazu vorgesehen, eine Größe eines am Ort des Magnetfeldsensors 150 herrschenden Magnetfelds zu detektieren. Der Magnetfeldsensor 150 ist ausgebildet, eine elektrische Spannungsamplitude auszugeben, die das Messsignal des Magnetfeldsensors 150 in Amplitude und Phase beschreibt.
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Der Metallsensor 100 kann in zwei unterschiedlichen Modi betrieben werden. Dabei wird stets eine Betriebsspannung zwischen dem ersten Anschluss 121 und dem zweiten Anschluss 122 angelegt. Sind die Schalter 141, 142 geöffnet, also nichtleitend, so findet ein Stromfluss vom zweiten Anschluss 122 durch die erste Durchkontaktierung 131 zum ersten Kontakt 210 der Primärspule 200, durch die Primärspule 200 zum zweiten Kontakt 220 der Primärspule 200, weiter zum ersten Kontakt 310 der Kompensationsspule 300 durch die Kompensationsspule 300 zum zweiten Kontakt 320 der Kompensationsspule 300, weiter zum ersten Kontakt 410 der ersten weiteren Spule 400, durch die erste weitere Spule 400 zum zweiten Kontakt 420 der ersten weiteren Spule 400, durch die fünfte Durchkontaktierung 135 zum achten Anschluss 128, weiter durch die zweite weitere Spule 500 und schließlich zum ersten Anschluss 121 statt. Dabei werden alle Spulen 200, 300, 400, 500 von der gleichen Stromstärke durchflossen. Im dargestellten Beispiel werden die Primärspule 200 und die zweite weitere Spule 500 im Uhrzeigersinn durchflossen, während die Kompensationsspule 300 und die erste weitere Spule 400 gegen den Uhrzeigersinn durchflossen werden. Somit erzeugen die Primärspule 200 und die Kompensationsspule 300 antiparallel orientierte Magnetfelder. Entsprechend erzeugen auch die erste weitere Spule 400 und die zweite weitere Spule 500 antiparallel orientierte Magnetfelder.
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Sind die Schalter 141, 142 geschlossen, also elektrisch leitend, so werden die Primärspule 200 und die Kompensationsspule 300 elektrisch kurzgeschlossen und dadurch überbrückt. Elektrischer Strom fließt dann ausgehend vom zweiten Anschluss 122 durch den ersten Schalter 141 zum fünften Anschluss 125, durch die zweite Durchkontaktierung 132 zum zweiten Kontakt 220 der Primärspule 200, weiter zum ersten Kontakt 310 der Kompensationsspule 300, durch die dritte Durchkontaktierung 133 zum sechsten Anschluss 126, über den zweiten Schalter 142 zum siebten Anschluss 127, durch die vierte Durchkontaktierung 134 zum zweiten Kontakt 320 der Kompensationsspule 300, weiter zum ersten Kontakt 410 der ersten weiteren Spule 400, durch die erste weitere Spule 400 zum zweiten Kontakt 420 der ersten weiteren Spule 400, durch die fünfte Durchkontaktierung 135 zum achten Anschluss 128, durch die zweite weitere Spule 500 und schließlich zum ersten Anschluss 121. Dabei wird die erste weitere Spule 400 gegen den Uhrzeigersinn durchflossen, während die zweite weitere Spule 500 im Uhrzeigersinn durchflossen wird. Somit erzeugen die erste weitere Spule 400 und die zweite weitere Spule 500 antiparallel orientierte Magnetfelder.
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In einer nicht dargestellten alternativen Ausführungsform des Metallsensors 100 kann der Schaltungsträger 110 ein zusätzliches Widerstandsbauteil aufweisen, das mittels eines Schalters in die Reihenschaltung aus Primärspule 200, Kompensationsspule 300, erster weiterer Spule 400 und zweiter weiterer Spule 500 eingefügt werden kann. Das Widerstandsbauteil weist dabei einen elektrischen Widerstand auf, der etwa dem Innenwiderstand der Reihenschaltung aus Primärspule 200 und Kompensationsspule 300 entspricht. Werden die Primärspule 200 und die Kompensationsspule 300, wie beschrieben, durch Schließen der Schalter 141, 142 aus der Reihenschaltung entfernt, so wird das Widerstandsbauelement in die Reihenschaltung eingefügt, um den Gesamtwiderstand der Reihenschaltung konstant zu halten. Werden die Schalter 141, 142 geöffnet und die Primärspule 200 und die Kompensationsspule 300 damit der Reihenschaltung zugefügt, so wird das Widerstandsbauelement aus der Reihenschaltung entfernt. Anstelle eines einfachen Ohmschen Widerstands kann auch eine komplexe Impedanz als Widerstandsbauteil verwendet werden.
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3 zeigt in einer Durchsicht die Unterseite 112 des Schaltungsträgers 110 eines Metallsensors 1100 gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform. Elemente des Metallsensors 1100, die denen des Metallsensors 100 der 1 und 2 entsprechen, sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Der Schaltungsträger 110 des Metallsensors 1100 weist einen zusätzlichen neunten Anschluss 129 auf, der mit anderen Komponenten des Metallsensors 1100 verbunden sein kann. Außerdem ist zwischen dem ersten Anschluss 121 und der zweiten weiteren Spule 500 ein Messwiderstand (Shunt) 143 angeordnet. Eine über den Messwiderstand 143 abfallende elektrische Spannung kann mittels eines Spannungsmessers 144 gemessen werden. Das Messergebnis kann am neunten Anschluss 129 ausgelesen werden. Der Spannungsmesser 144 kann beispielsweise als Differenzverstärker ausgebildet sein. Der Messwiderstand 143 und der Spannungsmesser 144 dienen dazu, einen durch die Spulen 200, 300, 400, 500 fließenden elektrischen Strom zu quantifizieren.
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Die Wicklungsrichtungen der ersten weiteren Spule 400 und der zweiten weiteren Spule 500 sind so gewählt, dass antiparallele Magnetfelder erzeugt werden. Aufgrund der geringen Windungszahlen der ersten weiteren Spule 400 und der zweiten weiteren Spule 500 ist das von den weiteren Spulen 400, 500 angeregte Magnetfeld klein im Vergleich zu den durch Primärspule 200 und Kompensationsspule 300 erzeugten Magnetfeldern. Aufeinander abgestimmte Windungszahlen und Durchmesser der beiden weiteren Spulen führen zu gleichen Magnetfeldstärken der durch die beiden weiteren Spulen erzeugten Magnetfelder. Die kleinen Durchmesser der weiteren Spulen 400, 500 bedingen eine geringe Magnetfeldstärke in großer Entfernung. Die antiparallele Ausrichtung der beiden Magnetfelder gleicher Stärke führt zu einer Aufhebung der Dipolmomente, so dass das Fernfeld der weiteren Spulen 400, 500 in führender Ordnung Quadrupolcharakter hat und somit mit steigendem Abstand schnell abfällt.
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Der Magnetfeldsensor 150 ist nicht genau in der Mitte zwischen der ersten weiteren Spule 400 und der zweiten weitere Spule 500 angeordnet. Somit ergänzen sich die durch die weiteren Spulen 400, 500 generierten Magnetfelder am Ort des Magnetfeldsensors 150 nicht genau zu null, sondern es verbleibt ein kleines Restfeld. Die Primärspule 200 und die Kompensationsspule 300 sind derart angepasst, dass dieses kleine Restfeld aufgehoben wird, sobald alle Spulen 200, 300, 400, 500 bestromt werden. Bei Abwesenheit eines magnetisierbaren Objekts in der Umgebung des Metallsensors 100 misst der Magnetfeldsensor 150 dann ein Nullsignal. Werden die Primärspule 200 und die Kompensationsspule 300 mittels der Schalter 141, 142 kurzgeschlossen, so liegt das kleine Restfeld wieder am Magnetfeldsensor 150 an.
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Wegen des raschen Abklingens des durch die weiteren Spulen 400, 500 erzeugten Magnetfelds mit dem Abstand vom Metallsensor 100 ist die Größe des Restfeldes am Ort des Magnetfeldsensors 150 unabhängig von der Anwesenheit eines magnetisierbaren Objekts in der Umgebung des Metallsensors 100. Die Größe des Restfelds kann allerdings temperaturabhängig sein und daher zur Bestimmung und Kompensation einer Temperaturabhängigkeit des Metallsensors 100 dienen. Eine solche Temperaturabhängigkeit kann sich beispielsweise aus einer Temperaturabhängigkeit der Amplitude eines vom Magnetfeldsensor 150 gelieferten Messsignals und von einer Temperaturabhängigkeit des durch die Primärspule 200 erzeugten Magnetfelds ergeben, die wiederum durch eine Temperaturabhängigkeit des Innenwiderstands der Primärspule 200 und dadurch durch eine Temperaturabhängigkeit des durch die Spulen 200, 300, 400, 500 fließenden elektrischen Stroms bewirkt wird.
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4 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens 600 zur Kompensation einer Temperaturabhängigkeit des Metallsensors 100. Das Verfahren 600 ist anwendbar, falls die Induktivität der Spulen 200, 300, 400, 500 vernachlässigt werden kann und der Kurzschluss von Primärspule 200 und Kompensationsspule 300 nicht zu einer signifikanten Eigenerwärmung der weiteren Spulen 400, 500 und damit zu einer Änderung der elektrischen Widerstände der weiteren Spulen 400, 500 führt.
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In einem ersten Verfahrensschritt 610 werden während einer Werkskalibrierung des Metallsensors 100 die erste weitere Spule 400 und die zweite weitere Spule 500 bestromt, ohne die Primärspule 200 und die Kompensationsspule 300 zu bestromen. Die Primärspule 200 und die Kompensationsspule 300 werden also durch die Schalter 141, 142 kurzgeschlossen. Anschließend wird eine erste Ausgangsspannung U1 des Magnetfeldsensors 150 gemessen. Der gemessene Wert U1 wird beispielsweise in einer Auswertschaltung des Metallsensors 100 hinterlegt.
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In einem zweiten Verfahrensschritt 620 werden während einer gewöhnlichen Anwendung des Metallsensors 100 erneut die erste weitere Spule 400 und die zweite weitere Spule 500 bestromt, ohne die Primärspule 200 und die Kompensationsspule 300 zu bestromen. Nun wird eine zweite Ausgangsspannung U2 des Magnetfeldsensors 150 gemessen. Sowohl im ersten Verfahrensschritt 610 als auch im zweiten Verfahrensschritt 620 wird also die Größe des am Ort des Magnetfeldsensors 150 herrschenden Restfeldes bestimmt, die sich durch eine Temperaturabhängigkeit zwischen den beiden Messungen geändert haben kann.
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In einem dritten Verfahrensschritt 630 werden die Primärspule 200, die Kompensationsspule 300, die erste weitere Spule 400 und die zweite weitere Spule 500 bestromt. Der erste Schalter 141 und der zweite Schalter 142 werden hierzu also geöffnet. Nun wird eine dritte Ausgangsspannung U3 des Magnetfeldsensors 150 gemessen. Die dritte Ausgangsspannung U3 ist von Null verschieden, falls sich in der Umgebung des Metallsensors 100 ein magnetisierbares Objekt befindet. Die dritte Ausgangsspannung U3 kann jedoch durch eine Temperaturabhängigkeit des Metallsensors 100 verfälscht sein.
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In einem vierten Verfahrensschritt 640 wird diese Temperaturabhängigkeit herausgerechnet, indem die dritte Ausgangsspannung U3 mit einem Quotienten aus der ersten Ausgangsspannung U1 und der zweiten Ausgangsspannung U2 multipliziert wird, um eine korrigierte dritte Ausgangsspannung U3' zu erhalten: U3' = U1 / U2U3.
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Die korrigierte dritte Ausgangsspannung U3' ist unter den oben genannten Annahmen von einer Temperaturabhängigkeit befreit. Insbesondere ist eine Temperaturabhängigkeit des Magnetfeldsensors 150 vollständig eliminiert.
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Falls die Induktivitäten der Spulen 200, 300, 400, 500 nicht vernachlässigbar sind und/oder auch der durch die Spulen 400, 500 fließende Strom einer Temperaturabhängigkeit unterliegt, so ist eine zusätzliche Temperaturkompensation für die Spulenströme notwendig. Diese kann in einer Weiterbildung des Verfahrens 600 durchgeführt werden, wobei der Metallsensor 1100 der 3 eingesetzt wird.
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In dieser Weiterbildung des Verfahrens wird die erste Ausgangsspannung U1 im ersten Verfahrensschritt 610 während der Werkskalibrierung bei einer festgelegten ersten Temperatur T0 durchgeführt. Im zweiten Verfahrensschritt 620 wird die zweite Ausgangsspannung U2 bei einer zweiten Temperatur T gemessen, die durch die zum Anwendungszeitpunkt des Metallsensors 1100 herrschende Temperatur festgelegt ist. Im zweiten Verfahrensschritt 620 wird in dieser Weiterbildung zusätzlich ein in den weiteren Spulen 400, 500 fließender erster Strom I1 bei der zweiten Temperatur T gemessen. Hierzu können beispielsweise der Messwiderstand 143 und der Spannungsmesser 144 dienen. Im dritten Verfahrensschritt 630 wird die dritte Ausgangsspannung U3 ebenfalls bei der zweiten Temperatur T gemessen. Außerdem wird im dritten Verfahrensschritt 630 ein in den Spulen 200, 300, 400, 500 fließender zweiter Strom I2 bei der zweiten Temperatur gemessen.
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Im vierten Verfahrensschritt 640 wird die korrigierte dritte Ausgangsspannung U3' zusätzlich mit einem Quotienten aus dem ersten Strom I1 und dem zweiten Strom I2 multipliziert, um eine vierte Ausgangsspannung U3'' zu erhalten: U3'' = I1 / I2 U3' = U1 / U2 U3 I1 / I2 .
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Die vierte Ausgangsspannung U3'' ist auch um eine eventuelle Temperaturabhängigkeit der Spulenströme bereinigt, was auch im Fall, dass die Induktivitäten der Spulen 200, 300, 400, 500 nicht vernachlässigt werden kann, gilt. Anstelle des ersten Stroms I1 und des zweiten Stroms I2 können auch am Messwiderstand 143 abfallende Spannungen gemessen werden. In diesem Fall wird die korrigierte dritte Ausgangsspannung U3' mit einem Quotienten aus der ersten Messspannung und der zweiten Messspannung multipliziert, um die vierte Ausgangsspannung U3'' zu erhalten. Eine eventuelle Temperaturabhängigkeit des Messwiderstands 143 kürzt sich dabei heraus.
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In einer vereinfachten Ausführungsform kann die zweite weitere Spule 500 entfallen. Dies hat allerdings den Nachteil, dass das durch die erste weitere Spule 400 erzeugte Magnetfeld dann in führender Ordnung Dipolcharakter aufweist und somit weniger rasch mit zunehmendem Abstand vom Metallsensor 100, 1100 abfällt.
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Die weiteren Spulen 400, 500 könnten auch zusätzliche gleichsinnige Windungen oder zusätzliche gegensinnige Windungen aufweisen. In diesem Fall wäre das am Ort des Magnetfeldsensors 150 messbare Restfeld größer oder kleiner.
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Es könnten auch zusätzliche weitere Spulen vorgesehen sein, um zu bewirken, dass das durch die weiteren Spulen erzeugte Magnetfeld in führender Multipolordnung nicht Quadrupol-, sondern beispielsweise Oktupolcharakter aufweist. In diesem Fall wäre die Abstandsabhängigkeit des durch die weiteren Spulen generierten Magnetfelds noch günstiger.
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Es wäre auch möglich, die weiteren Spulen 400, 500 abzuschalten, wenn die Primärspule 200 und die Kompensationsspule 300 in Betrieb sind. Dies hätte allerdings den Nachteil, dass sich die weiteren Spulen 400, 500 nicht konstant erwärmen, was eine Verfälschung des Ergebnisses bewirken könnte.
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Anstatt die Primärspule 200 und die Kompensationsspule 300 mittels der Schalter 141, 142 kurzzuschließen, könnten die Primärspule 200 und die Kompensationsspule 300 auch abgeklemmt werden, um lediglich die weiteren Spulen 400, 500 zu bestromen.
