DE102017124407B4

DE102017124407B4 - Verfahren zur Signalauswertung, Auswerteeinheit sowie Metallsuchgerät

Info

Publication number: DE102017124407B4
Application number: DE102017124407.7A
Authority: DE
Inventors: Matthias Hundertmark
Original assignee: Minebea Intec Aachen GmbH and Co KG
Current assignee: Minebea Intec Aachen GmbH and Co KG
Priority date: 2017-10-19
Filing date: 2017-10-19
Publication date: 2020-07-02
Anticipated expiration: 2037-10-20
Also published as: DE102017124407A1

Abstract

Verfahren zur Signalauswertung in einem Metallsuchgerät zur Erkennung von Fremdkörpern in einem zu untersuchenden Produkt oder Produktstrom (14), umfassend die Schritte:- Erzeugen eines Anregungssignals, welches ein Frequenzgemisch umfassend eine Grundschwingung und mindestens eine Oberschwingung, vorzugsweise mindestens eine ungeradzahlige Oberschwingung, umfasst,- Aufnehmen eines Messsignals aus einem auf Grundlage des Anregungssignals erzeugten Magnetfeld,- Umsetzen des Messsignals auf ein Zwischenfrequenzniveau, so dass ein Frequenzabstand zwischen der Grundschwingung und der mindestens einen Oberschwingung verringert wird, wobei das Umsetzen des Messsignals auf ein Zwischenfrequenzniveau mittels eines Analogmultiplizierers, vorzugsweise eines Gilbert-Demodulators, erfolgt und- Trennen der Anteile der Grund- und Oberschwingung bzw. Oberschwingungen im Messsignal und Auswerten dieser Anteile zur Erkennung von Fremdkörpern.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Signalauswertung in einem Metallsuchgerät, eine Auswerteeinheit sowie ein Metallsuchgerät.
Metallsuchgeräte der hier betrachteten Art werden unter anderem zur Warenkontrolle, beispielsweise in der Lebensmittelproduktion, eingesetzt, um Einzelprodukte oder auch einen mehr oder weniger kontinuierlichen Produktstrom auf metallische Verunreinigungen zu untersuchen. Derartige Verunreinigungen können Metallsplitter oder -partikel, Drähte, Schrauben oder Muttern, Werkzeuge oder andere Fremdkörper sein.
Dabei wird ein Magnetfeld erzeugt, welches durch metallische Partikel gestört wird. Diese Störung - abhängig vom Material der Verunreinigung eine Bündelung oder Verdrängung der Feldlinien - kann detektiert und ausgewertet werden. In einem typischen Anwendungsbeispiel wird das Produkt auf einem Förderband oder einer ähnlichen Transporteinrichtung durch das Metallsuchgerät hindurch befördert, welches drei das Förderband und das darauf beförderte Produkt umschlingende Spulen beinhaltet.
Eine der Spulen wird mit einem hochfrequenten Wechselstrom beaufschlagt, der somit ein Magnetfeld am Ort des Produktstroms erzeugt, und wirkt damit als Sendespule. Die zwei anderen Spulen dienen als Empfangsspulen, d.h. in ihnen wird ein Strom entsprechend des erzeugten Magnetfelds induziert. Die Empfangsspulen sind dabei bezüglich ihres Wicklungssinnes gegensinnig in Reihe geschaltet, so dass sich bei ungestörtem Magnetfeld eine resultierende Spannung von Null ergibt. Wird das Magnetfeld gestört, insbesondere durch einen metallischen Fremdkörper, so ergibt sich eine von Null verschiedene Ausgangsspannung.
Diese Ausgangsspannung ist zunächst ein hochfrequentes Signal, entsprechend der Anregungsfrequenz der Sendespule. Das Signal kann nun demoduliert werden, um das auszuwertende Signal zu erzeugen.
Grundsätzlich kann eine Verunreinigung durch Fremdkörper oder unerwünschte Materialien anhand von Phase und/oder Betrag des resultierenden Gesamtsignals festgestellt werden, da verschiedene Materialien typischen Bereichen dieser beiden Parameter zugeordnet werden können. Insbesondere die Phasenverschiebung zwischen induzierter Spannung und dem vom Sender erzeugten Magnetfeld wird dabei ausgewertet.
Die Detektion ist allerdings erschwert oder unmöglich in Fällen, in denen die durch die Probe, d.h. durch das zu untersuchende Produkt selbst, erzeugte Phasenverschiebung identisch mit der durch eine Verunreinigung erzeugten Phasenverschiebung ist oder sich nur unwesentlich von dieser unterscheidet. Für diesen Fall ist es möglich, die Untersuchung mit mehreren Anregungsfrequenzen vorzunehmen, entweder in Form eines Frequenzgemischs oder sequentiell mit mehreren Frequenzen. Da es unwahrscheinlich ist, dass die Phasenverschiebung von Probe und Verunreinigung bei mehreren Frequenzen gleich oder sehr ähnlich ist, kann dadurch die Detektionsleistung verbessert werden.
Derartige Vorgehensweisen sind prinzipiell bekannt. Beispielsweise offenbart die US 2009/0167299 A1 die Erzeugung eines Wechselmagnetfelds, welches gleichzeitig mehrere Frequenzen enthält; die Anregung der Sendespule erfolgt hier mittels zweier unterschiedlich abgestimmter Schwingkreise. Die US 2008/0309344 A1 und die DE 10 2009 030 029 A1 offenbaren in diesem Zusammenhang die Erzeugung eines Frequenzgemischs durch eine Impulsfolge, die so moduliert wird, dass das resultierende Signal an der Sendespule die gewünschte Spektralcharakteristik erhält.
Um die verschiedenen Frequenzen für die Detektion nutzbar zu machen, müssen die jeweiligen Signalanteile in der Empfangsschaltung getrennt werden. Dies kann in einer dem Fachmann bekannten Weise mit Hilfe von entsprechend eingestellten Bandpassfiltern geschehen. Diese müssen allerdings sehr schmalbandig im Verhältnis zur Frequenz des Nutzsignals sein;
Die WO 88/03273 A1 , US 2015 / 0 234 075 A1 , US 7 423 422 B2 und EP 1 602 943 B1 beschreiben jeweils einen Empfänger mit symmetrisch aufgebauten Empfangsspulen. Das Empfangssignal wird für eine Frequenz, bevorzugt für die Grundwelle des Senders, in Betrag und Phase zerlegt. Die Phase ist die Verschiebung zwischen dem vom Sender erzeugten magnetischen Wechselfeld und der induzierten Differenzspannung.
Die WO 2006/007832 A1 offenbart einen Metalldetektor, bei welchem mithilfe einer Rechneransteuerung gleichzeitig die wechselspannungsmäßige Bestromung mindestens einer Sendespule durch ein Trägersignal, welches insbesondere ein Frequenzgemisch sein kann, bewirkt wird. Eine Empfangsspule empfängt dadurch ein im Wesentlichen amplituden- und/oder phasenmoduliertes Messsignal. Anschließend wird eine Demodulation des Messsignals unter Verwendung eines Computers und eines Fourier- oder Wavelet-Transformationsverfahrens vorgenommen.
Die US 4 868 504 A offenbart einen Metalldetektor zur Lokalisierung und Unterscheidung von verschiedenen Metallobjekten, welche insbesondere in einem Boden oder in einem Gestein vorhanden sind. Hierzu verwendet der Metalldetektor ein Anregungssignal, welches ein Frequenzgemisch verwendet. Das Messsignal wird einem oder mehreren Filtern zum Trennen der Anteile der Grund- und Oberschwingung zugeführt und diese Anteile werden an eine Erkennungseinheit zur Erkennung von Fremdkörpern weitergegeben.
Die US 5 654 638 A offenbart einen portablen Metalldetektor zum Auffinden von metallischen Objekten im Erdboden. Hierzu verwendet der Metalldetektor ein Anregungssignal, welches ein Frequenzgemisch verwendet. Das Messsignal wird einem oder mehreren Filtern zum Trennen der Anteile der Grund- und Oberschwingung zugeführt und diese Anteile werden an eine Erkennungseinheit zur Erkennung von Fremdkörpern weitergegeben.
Die EP 2 651 036 A1 offenbart einen induktiven Näherungssensor, wobei der induktive Näherungssensor wenigstens einen A/D-Wandler aufweist, der das analoge Ausgangssignal in ein digitales Eingangssignal für einen Mischer wandelt, und wenigstens einen Mischer umfasst. Der Mischer ist dabei dazu vorgesehen, das digitale Eingangssignal mit einem digitalen Bezugssignal zu einem digitalen Ausgangssignal zu multiplizieren, wobei das digitale Bezugssignal mit dem digitalen Eingangssignal identisch ist oder sich von dem digitalen Eingangssignal nur durch einen konstanten Faktor unterscheidet.
Die DE 44 33 772 offenbart eine Sensoranordnung und ein Verfahren zur Messwerterfassung mit der Sensoranordnung. Die Sensoranordnung hat eine Auswerteeinheit zum Auswerten der Messsignale mit einem neuronalen Netzwerk. Das neuronale Netzwerk weist in bekannter Weise eine Eingangsschicht, mindestens eine verdeckte Schicht, eine Ausgangsschicht und Verknüpfungsgewichte für die einzelnen Schichten auf. Die Verknüpfungsgewichte werden in einer Lernphase durch Messungen an mehreren verschiedenen geeigneten Lernobjekten mit bekanntem Ist-Wert bestimmt und abgespeichert.
Die US 2014 / 0 253 107 A1 offenbart einen induktiven Sensor, wobei die Schaltung des induktiven Sensors einen Transkonduktor aufweist, welcher die Spannung an einem induktiven Sensor unter Verwendung von zwei Koppelkondensatoren in einen proportionalen Strom umwandelt. In Reaktion auf die Bewegung eines elektrisch leitfähigen Ziels aus der Nullposition wird zwischen den beiden Sensorspulen ein Resonanzstrom gebildet. Ein einzelnes Differentialtransistorpaar, das durch periodische Ansteuersignale geschaltet wird, wandelt den Wechselstrom am einzelnen Eingang in Gleichstrom um.
Generell ist es bei höheren Anregungsfrequenzen, etwa wenn diese bis in den MHz-Bereich reichen und die einzelnen auszuwertenden Frequenzbänder schmalbandig im Vergleich zu ihrem Frequenzabstand sind, aufwändig, diese mit der erforderlichen Frequenzauflösung zu demodulieren und auszuwerten.
Es stellt sich also die Aufgabe, eine schaltungstechnisch vorteilhafte Möglichkeit zur Demodulation und Auswertung von Messsignalen in einem Metallsuchgerät zur Verfügung zu stellen, wenn die Messsignale auf Anregungssignalen beruhen, die ein Frequenzgemisch beinhalten.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Insbesondere wird erfindungsgemäß bereitgestellt ein Verfahren zur Signalauswertung in einem Metallsuchgerät zur Erkennung von Fremdkörpern in einem zu untersuchenden Produkt oder Produktstrom, bei welchem ein Anregungssignal erzeugt wird, welches ein Frequenzgemisch umfassend eine Grundschwingung und mindestens eine Oberschwingung, vorzugsweise mindestens eine ungeradzahlige Oberschwingung, umfasst und ein Messsignal aus einem auf Grundlage des Anregungssignals erzeugten Magnetfeld aufgenommen wird. Das Messsignal wird auf ein Zwischenfrequenzniveau umgesetzt, so dass ein Frequenzabstand zwischen der Grundschwingung und der mindestens einen Oberschwingung verringert wird und es werden die Anteile der Grund- und Oberschwingung bzw. Oberschwingungen im Messsignal getrennt. Diese Anteile werden dann zur Erkennung von Fremdkörpern ausgewertet.
Die Umsetzung auf ein Zwischenfrequenzniveau kann betrachtet werden als Umsetzen des Messsignals auf mehrere Zwischenfrequenzen, nämlich eine Zwischenfrequenz für die Grundschwingung und jede enthaltene Oberschwingung. Dabei wird das Frequenzverhältnis zwischen der Grundschwingung und jeder Oberschwingung beibehalten, so dass sich absolut ein verringerter Frequenzabstand zwischen diesen ergibt.
Die Zwischenfrequenz ist ein heruntergemischtes, verstärktes und demoduliertes Signal, welches sich aus einer Empfängerfrequenz ergibt. Die Empfängerfrequenz wird dabei mit einem Signal eines Impulsfolgen-Generators gemischt, wodurch sich zwei neue Frequenzen ergeben. Eine erste Frequenz, bei der die Empfangsfrequenz mit der Frequenz des Impulsfolgen-Generators addiert ist sowie eine zweite Frequenz, bei der die Empfangsfrequenz von der Frequenz des Impulsfolgen-Generators subtrahiert ist. Sowohl bei der Addition als auch bei der Subtraktion bleiben die Amplitudeninformation und die Phaseninformation erhalten. Relevant für die Auswertung ist jedoch nur die zweite Zwischenfrequenz. Die erste Zwischenfrequenz wird durch einen weiteren Filter aus dem Signal entfernt.
Auf diese Weise wird das Messsignal auf ein niedrigeres Frequenzniveau bei gleichzeitiger Reduzierung des Frequenzabstands umgesetzt und ist damit einer nachfolgenden Auswertung, insbesondere einer digitalen Auswertung, leichter zugänglich.
Dabei kann das Umsetzen des Messsignals auf ein Zwischenfrequenzniveau insbesondere mittels eines Analogmultiplizierers, vorzugsweise eines Gilbert-Demodulators erfolgen. Dieser kann mit einer Schwingung, insbesondere einer Rechteckschwingung, die zur Erzeugung des Anregungssignals verwendet wurde, angesteuert werden.
Wenn der Analogmultiplizierer bzw. Gilbert-Demodulator mit der Rechteckschwingung angesteuert wird, die auch zur Erzeugung des Anregungssignals verwendet wurde, werden genau die in der Rechteckschwingung enthaltenen Grund- und Oberschwingungen demoduliert, d.h. im Wesentlichen die Grundschwingung und die ungeradzahligen Oberschwingungen. Die Grundschwingungen des Anregungssignals müssen dabei um mindestens 50 Hz von den Grundschwingungen des Analogmultiplizierers bzw. des Gilbert-Demodulators abweichen. Die Differenz der beiden Grundschwingungen ergibt somit das Zwischenfrequenzniveau, deren vorzugsweise ungeradzahligen Vielfache die Zwischenfrequenzen der Oberschwingungen ergeben. Vorteilhaft ist hier, dass nur ein einziger Demodulator bzw. Demodulationsschritt erforderlich ist und nicht mehrere entsprechend der Anzahl der zu untersuchenden Frequenzbänder.
Das Messsignal kann vor dem Umsetzen auf ein Zwischenfrequenzniveau einer Tiefpass- oder Bandpassfilterung unterzogen werden.
Beim Umsetzen auf ein Zwischenfrequenzniveau kann ein komplexes Signal, insbesondere getrennt in Real- und Imaginärteil, erzeugt werden. Dazu kann z.B. eine zur Demodulation genutzte Schwingung wie die genannte Rechteckschwingung einmal unverändert und einmal um 90° verschoben dem Demodulator zugeführt werden.
Das auf das Zwischenfrequenzniveau umgesetzte Messsignal kann einer weiteren Demodulation bzw. Kette von Demodulationen unterzogen werden, welche separat für die Grund- und Oberschwingung bzw. Oberschwingungen erfolgt bzw. erfolgen. Dabei ist vorteilhaft, dass durch das Umsetzen auf ein Zwischenfrequenzniveau die Frequenzabstände und das Frequenzniveau gesenkt wurden. Damit kann die weitere Demodulation vorzugsweise mittels digitaler Signalverarbeitung, insbesondere mittels eines digitalen Signalprozessors, erfolgen. Gegebenenfalls kann vor der weiteren Demodulation eine entsprechend abgestimmte Tiefpass- oder Bandpassfilterung vorgenommen werden.
Die resultierenden getrennten Signalanteile der Grund- und Oberschwingung bzw. Oberschwingungen entsprechen dann im Wesentlichen denjenigen, ggf. vorverarbeiteten, Messsignalen, die bei einer Einzelanregung mittels der entsprechenden Frequenzen resultieren würden. Die Auswertung kann somit in dem Fachmann an sich bekannter Weise erfolgen, beispielsweise indem Phase und/oder Betrag der jeweiligen Signale ausgewertet werden. Dazu einzusetzende weitere Verarbeitungsschritte und/oder Klassifikationsverfahren können vom Fachmann anwendungsbezogen ausgewählt werden. In jedem Fall können die einzelnen aus den verschiedenen Anregungsfrequenzen resultierenden Signalanteile einzeln und/oder in Kombination ausgewertet werden.
Das o.g. Anregungssignal kann mittels einer Impulsfolge mit einer vorherbestimmten Grundfrequenz und Amplitude erzeugt werden, wobei die Impulsfolge derart moduliert, insbesondere frequenzmoduliert wird, dass mindestens eine Oberschwingung eine vorherbestimmte Amplitude erhält, die im Wesentlichen gleich wie oder größer als die Amplitude der Grundschwingung ist.
Zur Erzeugung des Anregungssignals kann eine oder können mehrere überlagerte Schwingung(en) vorherbestimmter Frequenz genutzt werden, insbesondere eine Rechteckschwingung wie oben erläutert.
Die genannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine Auswerteeinheit für ein Metallsuchgerät zur Erkennung von Fremdkörpern in einem zu untersuchenden Produkt oder Produktstrom, umfassend einen Eingang für ein Messsignal, welches eine Grundschwingung und mindestens eine Oberschwingung enthält, einen Umsetzer zur Umsetzung des Messsignals auf ein Zwischenfrequenzniveau, so dass ein Frequenzabstand zwischen der Grundschwingung und der mindestens einen Oberschwingung verringert wird, ein oder mehrere Filter zum Trennen der Anteile der Grund- und Oberschwingung bzw. Oberschwingungen im Messsignal und Ausgänge zur Weitergabe dieser Anteile an eine Erkennungseinheit zur Erkennung von Fremdkörpern.
Dabei kann der Umsetzer ein Analogmultiplizierer, insbesondere ein Gilbert-Demodulator, sein. Ferner kann jedem der einen oder mehreren Filter zum Trennen der Anteile der Grund- und Oberschwingung bzw. Oberschwingungen ein weiterer Demodulator nachgeschaltet sein.
Die Auswerteeinheit kann einen Prozessor, insbesondere digitalen Signalprozessor enthalten, mittels welchem beispielsweise die weiteren Demodulatoren und/oder weitere Verarbeitungsschritte für das auf die Zwischenfrequenz umgesetzte Messsignal realisiert sind.
Die oben gestellte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Metallsuchgerät zur Erkennung von Fremdkörpern in einem zu untersuchenden Produkt oder Produktstrom, umfassend eine Fördereinrichtung zum Transport des Produkts oder Produktstroms, eine Sendespule zur Erzeugung eines Magnetfelds und zwei gegensinnig in Reihe angeordnete Empfangsspulen zur Aufnahme eines Messsignals, sowie eine Auswerteeinheit wie oben beschrieben, deren Eingang das Messsignal zugeführt ist.
Die Funktionsweise der beschriebenen Auswerteeinheit und des Metallsuchgeräts ergibt sich aus dem oben beschriebenen Verfahren.
Das Metallsuchgerät kann weiter eine Einrichtung zum Erzeugen eines Anregungssignals für die Sendespule umfassen, wobei das Anregungssignal ein Frequenzgemisch umfassend eine Grundschwingung und mindestens eine Oberschwingung, vorzugsweise mindestens eine ungeradzahlige Oberschwingung, umfasst. Die Einrichtung zum Erzeugen eines Anregungssignals kann eingerichtet sein, das Anregungssignal mittels einer Impulsfolge mit einer vorherbestimmten Grundfrequenz und Amplitude zu erzeugen, wobei die Impulsfolge derart moduliert, insbesondere frequenzmoduliert wird, dass mindestens eine Oberschwingung eine vorherbestimmte Amplitude erhält, die im Wesentlichen gleich wie oder größer als die Amplitude der Grundschwingung ist. Wie im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben, kann das Anregungssignal insbesondere eine Rechteckschwingung umfassen oder mittels einer solchen erzeugt werden.
Ferner kann das Metallsuchgerät eine Erkennungseinheit umfassen, welche eingerichtet ist zur Erkennung von Fremdkörpern auf Grundlage der von der Auswerteeinheit zur Verfügung gestellten Signalanteile. Die Erkennung kann wie oben beschrieben auf verschiedenen, dem Fachmann an sich bekannten, Verarbeitungs- und/oder Klassifikationsverfahren beruhen. Diese können auf die nach Anregungsfrequenz getrennten Einzelsignale und/oder Kombinationen davon angewendet werden.
Im Folgenden wird nun die Erfindung anhand von Figuren im Detail beschrieben. Dabei zeigen

1 den prinzipiellen Aufbau der Signalerzeugung in einem Metallsuchgerät,
2 den Aufbau einer Schaltung zur Erzeugung, Aufnahme und Verarbeitung von Messsignalen in einem Metallsuchgerät,
3 den detaillierten Aufbau der Signalverarbeitung zur Gewinnung von Real- und Imaginär-Teil der jeweiligen Empfangsfrequenzen im DSP aus 2,
4 eine Impulsfolge zur Demodulation in der Schaltung nach 2,
5 das Frequenzspektrum der Impulsfolge aus 4,
6 ein Flussdiagramm zur Erzeugung eines Anregungssignals mittels einer Halbbrückenschaltung,
7 ein Flussdiagramm zur Erzeugung eines Anregungssignals mittels einer Vollbrückenschaltung,
8 ein Zeitdiagramm eines Anregungssignals in Form überlagerter Sinusschwingungen und als Rechteckschwingung,
9 das Frequenzspektrum des Anregungssignals aus 8,
10 ein Zeitdiagramm des verbesserten Anregungssignals aus 8,
11 das Frequenzspektrum des Anregungssignals aus 10.
12 einen alternativen Aufbau einer Schaltung zur Erzeugung, Aufnahme und Verarbeitung von Messsignalen in einem Metallsuchgerät,
13 die Frequenzen die dem Analog-Digital-Wandler zugeführt werden und die Spiegelfrequenzen bei Unterabtastung.

1 zeigt den prinzipiellen Aufbau der Signalerzeugung in einem Metallsuchgerät. Unter Signalerzeugung ist, im Kontext dieser Anmeldung, das erzeugte, frequenzmodulierte Signal aus Rechteckimpulsen zu verstehen, welches in die Sendespule 13 eingespeist wird, zur Erzeugung des Wechselfeldes. Die Sendespule 13 erzeugt dabei ein Magnetfeld, welches von den zwei Empfangsspulen 20 und 21 aufgenommen werden kann und in diesen Spulen eine Spannung induziert. Solange keine Störung des Magnetfelds vorliegt, ist die resultierende Spannung an den Ausgangsklemmen 20a, 21a gleich Null, da die Empfangsspulen 20 und 21 gegensinnig in Reihe geschaltet sind.
Von der Sendespule 13 und den Empfangsspulen 20, 21 wird eine (nicht dargestellte) Fördereinrichtung für ein Produkt oder einen Produktstrom 14 umfasst. Ein hier durchlaufendes Produkt oder ein Produktstrom verursacht eine Störung des durch die Sendespule 13 erzeugten Magnetfelds, insbesondere wenn das Produkt oder der Produktstrom eine Metallverunreinigung, wie etwa einen metallischen Fremdkörper, enthält. In diesem Fall ist die an den Ausgangsklemmen 20a, 21a abzugreifende Spannung ungleich Null.
Vorzugsweise ist die Spulenanordnung von einem Gehäuse umgeben, welches u.a. zur Abschirmung von äußeren Störeinflüssen dient. Diese Störeinflüsse würden sich als Rauschen im an den Ausgangsklemmen 20a, 21a abgegriffenen Signal bemerkbar machen und somit letztlich die Detektionsleistung beeinflussen. Gegebenenfalls können auch geeignete Filter- oder Signalverarbeitungsschritte zur Reduktion solcher Störeinflüsse vorgesehen werden.
2 zeigt den beispielhaften Aufbau einer Sende- und Empfangsschaltung zum Einsatz in einem Metallsuchgerät. Diese Schaltung enthält eine Auswerteeinheit wie oben beschrieben und ist zur Ausführung des beschriebenen Verfahrens zur Signalauswertung eingerichtet. Dieser Aufbau kann insbesondere eine Spulenanordnung 1 mit einer Sendespule 13 und Empfangsspulen 20 und 21 enthalten, die im Wesentlichen der mit Bezug zu 1 beschrieben entspricht.
Die Sendespule 13 wird von einer Treiber- oder Endstufenschaltung 11 getrieben, die beispielsweise eine Voll- oder Halbbrückenschaltung sein kann, und von einer einstellbaren Spannungsquelle 10 zum Variieren der Sendeleistung versorgt wird.
Ein Frequenzgenerator 2 erzeugt einen Basis- oder Mastertakt für die Schaltung, aus dem in einem Signalgenerator 12 eine Impulsfolge bzw. Rechteckschwingung, die, wie der Fachmann ohne Weiteres erkennt, ein Frequenzgemisch enthält, zur Ansteuerung der Treiberschaltung 11 generiert wird. Beispiele für die Generierung dieser Impulsfolge bzw. Rechteckschwingung werden im Folgenden aufgezeigt.
Die Sendespule 13 erzeugt so ein entsprechendes Magnetfeld, welches durch ein ggf. vorhandenes zu untersuchendes Produkt sowie die darin ggf. vorhandenen Verunreinigungen verändert und von den Empfangsspulen 20, 21 aufgenommen wird. Das Summensignal über die Empfangsspulen 20 und 21, welches aufgrund des unterschiedlichen Wicklungssinnes der Empfangsspulen 20 und 21 auch als Differenzsignal aufgefasst werden kann, wird wie mit Bezug zu 1 beschrieben an den Ausgangsklemmen 20a, 21a abgegriffen und als Messsignal einem Multiplizierer 28, 29 zugeführt. Zur Impedanzanpassung kann dabei noch ein Anpassnetzwerk, etwa ein Übertrager 22, zwischengeschaltet sein. Ferner kann ein Verstärker 24 und/oder ein Tiefpassfilter 26 vorgeschaltet werden, um den Signalpegel zu verstärken und die Bandbreite der vom Übertrager 22 gelieferten Differenzspannung zu verringern.
In ähnlicher Weise wird ein Referenzsignal am Verbindungspunkt der Empfangsspulen 20, 21 abgegriffen und, optional über einen Verstärker 23 und/oder Tiefpass 25, einem Multiplizierer 27 zugeführt. Dieses Signal kann in der späteren Verarbeitung als Referenzsignal für eine Zerlegung des Messsignals in Real- und Imaginärteil verwendet werden und muss dazu auch auf eine Zwischenfrequenz umgesetzt werden. Die Multiplizierer 27, 28 und 29 können als Analogmultiplizierer, insbesondere als Gilbert-Zelle, ausgeführt werden und somit einen Gilbert-Demodulator bilden. Dabei wird den Multiplizierern bzw. Gilbert-Zellen 27, 28, 29 an einem Eingang, insbesondere dem RF-Eingang der Gilbertzellen, das Messignal und am anderen Eingang, insbesondere dem LO-Eingang der Gilbertzellen, eine in einem Impulsfolgen-Generator 30 erzeugte Rechteckschwingung bzw. Impulsfolge zugeführt, die ebenfalls aus dem Mastertakt des Frequenzgenerators 2 abgeleitet wird. Diese Rechteckschwingung bzw. Impulsfolge kann symmetrisch sein, d.h. Impulse gleicher Länge und gleichen Abstands aufweisen, oder frequenzmoduliert, d.h. ungleichförmige Impulse unterschiedlicher Länge und/oder Abstände aufweisen. Insbesondere kann eine Rechteckschwingung bzw. Impulsfolge eingesetzt werden, die derjenigen ähnelt oder gleich ist, die zur Erzeugung des Anregungssignals eingesetzt wurde.
Bevorzugt weist der Signalgenerator 12 insbesondere eine höhere oder eine niedrigere Grundfrequenz für die Impulsfolge bzw. Rechteckschwingung auf als die in einem Impulsfolgen-Generator 30 erzeugte Impulsfolge bzw. Rechteckschwingung. Der Abstand dieser beiden Impulsfolgen bzw. Rechteckschwingung ist abhängig von dem zu untersuchenden Produkt bzw. dessen Geschwindigkeit mit dem das zu untersuchende Produkt durch die Suchspule bewegt wird, vorzugsweise beträgt der Abstand das 2,5 fache der resultierenden Signalbandbreite, die von der maximalen Produktgeschwindigkeit abhängig ist, aber mindestens 50 Hz.
Durch die rechteckförmige Ansteuerung der Gilbertzellen wird das Eingangssignal nicht nur mit der Oszillatorfrequenz, sondern auch mit den ungeradzahligen Oberwellen der Oszillatorfrequenz multipliziert. Dadurch entspricht das Mischprodukt eines solchen (De-)Modulators der Multiplikation des Eingangssignals mit 1 oder -1, je nachdem welcher Pegel vom Oszillator angelegt wird. Aufgrund der Abnahme der Amplitude mit 1/n der Oberwellen für eine symmetrische rechteckförmige Signalspannung nimmt auch die Amplitude des Mischprodukts mit 1/n ab. Dies kann vermieden werden, indem eine frequenzmodulierte Impulsfolge wie oben beschrieben eingesetzt wird. 4 zeigt ein Beispiel für eine derartige Impulsfolge, bei der die ungeradzahligen Oberschwingungen bis zur 9. Harmonischen die gleiche Amplitude wie die Grundschwingung aufweisen, und 5 zeigt das entsprechende Frequenzspektrum.
Alternativ zu einer derartigen Anhebung der Amplitude der Oberschwingungen durch eine Frequenzmodulation kann auch eine Anhebung durch eine Hochpassfilterung vorgesehen werden. Dadurch kann der Aussteuerbereich nachgeschalteter Analog-Digital-Wandler besser ausgenutzt werden, allerdings ist nachfolgend wieder eine der Hochpassfilterung entsprechende Absenkung erforderlich, um eine ansonsten mögliche unterschiedliche Verstärkung der Seitenbänder der niedrigeren Frequenzen zu verhindern, die die weiter unten beschriebene Zerlegung in Real- und Imaginärteil des Messsignals beeinträchtigen könnte.
An dieser Stelle sind zwei Multiplizierer bzw. Gilbert-Zellen 28, 29 vorgesehen, denen beide das Messsignal zugeführt wird, wobei die Rechteckschwingung bzw. Impulsfolge dem Multiplizierer 28 unverändert und dem Multiplizierer 29 um 90° phasenverschoben zugeführt wird. Dadurch wird letztlich ein komplexes Signal, bestehend aus einem Realteil I und einem Imaginärteil Q erzeugt, welches für die nachfolgende Verarbeitung bevorzugt verwendet werden kann, beispielsweise durch Auswertung der Phaseninformation. Alternativ könnte der Imaginärteil Q auch in der weiteren Signalverarbeitung, etwa in einem DSP, erzeugt werden. Der Q-Pfad, d.h. der mit um 90° verschobener Impulsfolge angesteuerte Multiplizierer, kann auch entfallen, etwa dann, wenn die Abtastfrequenz synchron mit der heruntergemischten Grundwelle der Impulsfolge ist und mindestens ein Faktor 4n gegenüber der größten auszuwertenden Oberschwingung n gewählt wird.
Gegenüber dem ursprünglichen, an den Ausgangsklemmen 20a, 21a und dem Verbindungspunkt der Empfangsspulen 20, 21 abgegriffenen Messsignal liegt nach diesem Verarbeitungsschritt ein demoduliertes, auf eine Zwischenfrequenz herabgesetztes vorverarbeitetes Messsignal vor, das der weiteren Verarbeitung, beispielsweise in einem digitalen Signalprozessor 3, leichter zugänglich ist. Da einerseits das Frequenzniveau herabgesetzt wurde und andererseits damit auch die Frequenzabstände zwischen den Anteilen der verschiedenen Frequenzen aus dem Anregungssignal verringert wurden, wird für die weitere Verarbeitung weniger Bandbreite und etwa für eine digitale Signalverarbeitung auch eine geringere Abtastfrequenz benötigt.
Vor der weiteren Verarbeitung des so erzeugten vorverarbeiteten Messsignals, z.B. in einem digitalen Signalprozessor 3, können weitere Tiefpassfilterungen 31, 32, 33 vorgesehen werden, die insbesondere dazu dienen, die bei der Umsetzung auf eine Zwischenfrequenz, etwa das hier vorgesehene Heruntermischen durch Einsatz eines Gilbert-Demodulators, entstehenden Summenfrequenzen herauszufiltern.
Um die weitere Verarbeitung im DSP 3 zu ermöglichen, werden die so erzeugten bzw. vorverarbeiteten Signale in den Analog-Digital-Wandlern 34, 35, 36 digitalisiert.
Somit stehen an dieser Stelle Real- und Imaginärteil I, Q des Messsignals sowie ein Referenzsignal I_R auf einer Zwischenfrequenzebene und ggf. entsprechend gefiltert in digitaler Form zur Verfügung und können weiteren Verarbeitungs- und Klassifikationsschritten unterzogen werden.
In einer alternativen Ausgestaltung kann die Sende- und Empfangsschaltung ohne die Multiplizierer 27, 28 und 29 aufgebaut sein. Dabei werden die Multiplizierer 27, 28 und 29 durch jeweils eine Sample and Hold Schaltungen 40, 41, 42 ersetzt.
Weiterhin ist es möglich, dass bei dieser Schaltung die Tiefpassfilterungen 31, 32, 33 wegfallen können. Den Sample and Hold Schaltungen 40, 41, 42 sowie den Analog-Digital-Wandlern 34, 35, 36 werden eine in dem Impulsfolgen-Generator 30 erzeugte Rechteckschwingung bzw. Impulsfolge zugeführt, die ebenfalls aus dem Mastertakt des Frequenzgenerators 2 abgeleitet wird. Eine entsprechende Schaltung ist in 12 dargestellt. Dies hat den Vorteil, dass dadurch Hardwarekomponenten eingespart werden können, weil eine entsprechende Sample and Hold Schaltung 40, 41, 42 häufig ein Bestandteil eines Analog-Digital-Wandlers 34, 35, 36 ist. Die Anforderung an einen solchen Analog-Digital-Wandlers 34, 35, 36 steigt in diesem Fall, da die Samplefrequenz etwas höher oder niedriger sein muss als die Grundschwingung des Signalgenerators 12.
Beim Einsatz eines Demodulators muss die Samplefrequenz wenigstens das Doppelte der größten Zwischenfrequenz betragen.
Hierbei darf die Abtastung des Messsignals nicht mit der Frequenz der Grundschwingung des Wechselfeldes der Sendespule 13 erfolgen, sondern es muss eine Differenz eingehalten werden, welche nicht kleiner sein sollte als die Seitenbänder, die durch ein Produkt erzeugt werden. Diese Differenz ist die Zwischenfrequenz, die im digitalisierten Signal erzeugt wird. Die Analog-Digital-Wandler 34, 35, 36 für I, Q und I_R werden mit der gleichen Frequenz angesteuert, nur die Phase des Taktsignals für das Q-Signal ist um 90° verschoben, um Real- und Imaginärteil zu erhalten. Die Abtastung erfolgt äquidistant. Durch Unterabtastung werden Frequenzen oberhalb der halben Abtastrate in den unteren Frequenzbereich verschoben. Es entsteht wie beim Gilbert-Demodulator eine Überlagerung von Frequenzbereichen, von denen einige für die Demodulation genutzt werden und andere nicht.
13 zeigt den Frequenzbereich der dem Analog-Digital-Wandler 34, 35, 36 zugeführt wird und wie sich dieser Frequenzbereich in Segmente unterteilt, die in einen unteren Frequenzbereich von $0 - \frac{1}{2} f_{s}$
gespiegelt werden und der nach der Digitalisierung im DSP vorliegt. fs steht für die Samplefrequenz der Analog-Digital-Wandler 34, 35, 36 und f_g ist die Grundwelle des Wechselfeldes der Sendespule 13. Die Grundwelle fg und dessen ungerade vielfache werden in den unteren Bereich verschoben und sind als f_ZF gekennzeichnet, diese entsprechen der Zwischenfrequenz nach dem Gilbert-Demodulator und werden genauso behandelt und weiterverarbeitet. Die 13 verdeutlicht, weshalb eine Differenz zwischen Grundwelle f_g und Abtastfrequenz der Analog-Digital-Wandler 34, 35, 36 bestehen muss. Ist keine Differenz gegeben, würden alle Zwischenfrequenzen f_ZF sich überlagern und bei 0 Hz liegen.
Die Grenzfrequenz des Tiefpass 25, 26 liegt oberhalb der maximalen Empfangsfrequenz und die Samplefrequenz f_s der Sample and Hold Schaltung 40, 41, 42 liegt in der Größenordnung der Grundwelle f_g, weist aber eine Differenz auf, welche der Zwischenfrequenz f_ZF für die Grundwelle f_g entspricht. Die Zwischenfrequenz f_ZF ergibt sich aus der Differenz der Grundwelle f_g und der Samplefrequenz f_s.
Die Oberwellen werden ebenfalls in Real- und Imaginärteil zerlegt, dies ist aber nur der Fall wenn sie ein ungerades Vielfaches der Grundwelle sind. Diese Bedingung ist aufgrund des Senderprinzips immer erfüllt.
Ein Beispiel für die weitere Verarbeitung wird nun anhand von 3 beschrieben, die einen Schaltungsaufbau zur Trennung der einzelnen Anregungsfrequenzen zeigt. Dieser Schaltungsaufbau kann beispielsweise in einem Digitalen Signalprozessor, wie dem DSP 3, realisiert werden.
Eingangssignale für die Schaltung aus 3 sind die wie oben beschrieben erzeugten Signale I, Q und I_R, d.h. Real- und Imaginärteil des eigentlichen, ggf. gefilterten, Messsignals sowie ein Referenzsignal, die alle auf eine Zwischenfrequenzebene umgesetzt sind.
Das Referenzsignal wird parallel durch eine Reihe von Bandpassfiltern 101 n01 gefiltert, die auf die Zwischenfrequenzen abgestimmt sind, die der ursprünglichen Grundschwingung und den ursprünglichen Oberschwingungen entsprechen, so dass eine Vielzahl von Referenzsignalen entsprechend der Vielzahl der im ursprünglichen Anregungssignal enthaltenen Frequenzen erzeugt wird.
Real- und Imaginärteil I, Q des Messsignals werden nun mit jedem dieser Vielzahl von Referenzsignalen nochmals mittels einer Reihe von Multiplizierern bzw. Demodulatoren 102, 103 ...n02, n03 demoduliert, so dass nun für jede Anregungsfrequenz ein Messsignal im Basisband, hier im Beispiel aufgeteilt nach Real- und Imaginärteil, entsteht. Diese Signale können nun wiederum jeweils einer Tiefpassfilterung 104, 105 ... n04, n05 unterzogen werden, um die bei der Demodulation entstehenden Summenfrequenzen herauszufiltern.
So entsteht eine Vielzahl von Messsignalen I_F1, Q_F1 I_FN, Q_Fn, entsprechend der Anzahl n von verwendeten Anregungsfrequenzen, die im Funktionsblock 100 zur Erkennung einer Verunreinigung ausgewertet werden können. Diese Vielzahl von Messsignalen, jeweils aufgeteilt nach Real- und Imaginärteil I_Fi, Q_Fi, entspricht damit den Messsignalen, die bei Einzelanregungen der Sendespule 13 mit jeder der Anregungsfrequenzen aufgenommen würden. Dank der Überlagerung der Anregungsfrequenzen und der mit dem beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen bewirkten Trennung der jeweiligen Messsignale ist allerdings hier nur ein einziger Messvorgang erforderlich, und insbesondere der erforderliche schaltungstechnische Aufwand wurde minimiert.
Die endgültige Auswertung der Messsignale I_F1, Q_F1 ... I_Fn, Q_Fn, und Erkennung von Verunreinigungen im Funktionsblock 100 kann nach dem Fachmann prinzipiell bekannten Verfahren erfolgen. Hierbei kann insbesondere eine gemeinsame Auswertung von Messsignalen verschiedener Anregungsfrequenzen zur Erkennung herangezogen werden und damit die Erkennungsleistung insgesamt verbessert werden.
Anhand der folgenden Figuren wird nun die Erzeugung eines geeigneten Anregungssignals zur Einspeisung in die Sendespule 13 erläutert.
Vorzugsweise wird eine Rechteckschwingung vorgesehen, d.h. im Wesentlichen eine Folge von rechteckförmigen Impulsen. Eine derartige Rechteckschwingung lässt sich beispielsweise in dem Fachmann an sich bekannter Weise mittels einer Brückenschaltung, die entsprechende Schaltelemente wie etwa Transistoren enthält, erzeugen, wobei sowohl eine Schaltung als Halbbrücke wie auch als Vollbrücke eingesetzt werden kann. Der Vorteil liegt hierbei darin, dass die Signalerzeugung effizient erfolgt, also mit geringer Verlustleistung für das treibende Verstärkerelement.
Wie dem Fachmann aus der Fourieranalyse bekannt ist, enthält eine symmetrische Rechteckschwingung - d.h. eine Rechteckschwingung mit gleichbleibender Impulsbreite und Impulsabständen - eine sinusförmige Grundschwingung und deren ungeradzahlige Oberschwingungen, also die Oberschwingungen 1., 3., 5., Ordnung. Dabei nimmt die Amplitude der Oberschwingungen im Vergleich zur Amplitude der Grundschwingung mit zunehmender Ordnung im Verhältnis 1/n ab. Mathematisch wird dies durch die folgende Formel wiedergegeben: $f (x) = \frac{4 h}{π} (sin x + \frac{1}{3} sin 3 x + \frac{1}{5} sin 5 x + \dots)$
Diese Abnahme der Amplituden ist für den hier angestrebten Einsatzzweck nicht erwünscht, zumal der für das magnetische Wechselfeld verantwortliche Strom mit 1/XL der Spannung an der Sendespule abnimmt. Die Amplituden der erzeugten Oberschwingungen sollten vorteilhafterweise in etwa identisch mit der Grundwelle sein, wenn eine gleichbleibende Induktionsspannung gefordert wird, oder die Amplituden der Oberschwingungen sollten mit der Zunahme der Frequenz steigen, wenn die Feldstärke gleich sein soll. Welche Signalform dabei gewählt wird, ist u.a. von dem Material abhängig, in dem nach metallischen Verunreinigungen gesucht wird.
Um ein derartiges Signal mit gleichbleibender oder steigender Amplitude der Oberschwingungen zu erzeugen, kann die Rechteckschwingung durch eine Frequenzmodulation modifiziert werden.
Es werden im Folgenden zwei Verfahren dazu erläutert, welche abhängig von der gewählten Art der Signalerzeugung angewendet werden können, insbesondere ob eine Halb- oder eine Vollbrückenschaltung eingesetzt wird. Während bei einer Halbbrückenschaltung zwei definierte Signalzustände, positive und negative Versorgungsspannung, erzeugt werden können, eröffnet eine Vollbrückenschaltung zusätzlich die Möglichkeit, die Spannung an der Sendespule auf 0V zu ziehen.
Trotz dieser zusätzlichen Möglichkeit können auch mit einer Vollbrücke nur ungeradzahlige Oberschwingungen erzeugt werden; das Ausgangssignal einer Vollbrückenschaltung kann durch die folgende Formel wiedergegeben werden: $f (x) = \frac{4 h}{π} (\frac{c o s φ}{1} sin x + \frac{cos 3 φ}{3} sin 3 x + \frac{cos 5 φ}{5} sin 5 x + \dots)$
Die Variable φ ist dabei die Dauer der 0V-Phase.
Die angesprochene Frequenzmodulation zur Erzeugung der erwünschten Amplituden der Oberschwingungen kann prinzipiell durch eine Pulsweitenmodulation realisiert werden. Mit dieser kann zwar das zu erzeugende Analogsignal sehr gut nachgebildet werden, sie erfordert jedoch eine Schaltfrequenz, die wesentlich höher ist als die im Anregungssignal enthaltenen Frequenzanteile. Bei dem hier vorgesehenen Einsatz in einem Metalldetektor, dessen Wechselfeld Frequenzen im Megahertz-Bereich umfassen kann, wären also entsprechend hohe Schaltfrequenzen erforderlich. Bei hohen Schaltfrequenzen nehmen jedoch die Verluste in der Verstärkerendstufe zu.
Daher wird hier ein alternatives Verfahren zur Erzeugung der gewünschten Signalform mittels eines Signalgenerators vorgeschlagen. 6 und 7 zeigen die entsprechenden Ablaufdiagramme, wobei 6 den Ablauf für ein Signal mit zwei Schaltzuständen, also etwa beim Einsatz einer Halbbrückenschaltung, darstellt, und 7 den Ablauf für ein Signal mit drei Schaltzuständen, also etwa beim Einsatz einer Vollbrückenschaltung. Einige der Schritte sind in beiden Fällen gleich und werden daher im Folgenden gemeinsam beschrieben, andere unterscheiden sich.
In beiden Fällen wird zunächst die Grundschwingung des Wechselfeldes nach Frequenz und Amplitude festgelegt und danach werden in Schritt S610 bzw. S710 die Amplituden der ungeradzahligen Oberschwingungen in Relation zur Amplitude der Grundschwingung festgelegt. Anschließend wird in Schritt S620 bzw. S720 durch Addition von Sinus-Schwingungen mit den gewählten Frequenzen und Amplituden ein analoges zeitdiskretes Signal erstellt. Die verwendete Abtastrate ist dabei vorteilhafterweise ein ganzzahliges Vielfaches der Frequenz der höchsten Oberschwingung. Die Dauer des erzeugten Signalabschnittes ist vorteilhafterweise ein ganzzahliges Vielfaches der Grundwelle, um auf eine Fensterfunktion für die folgende FFT verzichten zu können.
Für ein Signal mit zwei Schaltzuständen wird das so erzeugte zeitdiskrete Signal in Schritt S625 einer sign(x) Funktion unterworfen, d.h. es werden de facto negative Signalamplituden auf -1 und positive Signalamplituden auf +1 gesetzt.
Für ein Signal mit drei Schaltzuständen wird zunächst in Schritt S730 die größte Amplitude h im diskreten Signal ermittelt, die anschließend mit einem Formfaktor f > 2/π multipliziert wird. Der Formfaktor f legt dabei letztlich die Länge der 0V-Phasen im Signalverlauf fest. Längere 0V-Phasen führen zu kurzen Impulsen mit hoher Amplitude, die schnelle Schaltvorgänge im Treiber des Senders erfordern. Nach Erkenntnissen des Erfinders werden gute Ergebnisse beispielsweise erzielt, wenn ein Formfaktor f verwendet wird, der geringfügig größer ist als das arithmetische Mittel einer gleichgerichteten Sinusspannung.
Das Produkt hp aus Formfaktor f und der maximalen Amplitude h wird für die folgende Berechnung als Amplitude eines äquivalenten Impulses angenommen.
Für jede Halbwelle des zeitdiskreten Signals wird nun in Schritt S735 das Integral Ah gebildet, und in Schritt S740 die Impulsdauer tp als Betrag des Integrals dividiert durch die bestimmte Amplitude hp berechnet. Die Halbwelle im zeitdiskreten Signal wird dann in Schritt S745 durch einen Impuls mit der Dauer tp und der Amplitude sign(Ah) ersetzt, wobei die vertikale Symmetrieachse des Impulses an der Position des Maximums der Halbwelle liegt.
Alle Halbwellen des diskreten Signals werden auf diese Weise ersetzt, d.h. wenn in Schritt S750 festgestellt wird, dass noch nicht alle Halbwellen wie beschrieben ersetzt wurden, wird zu Schritt S735 zurückgekehrt und die nächste Halbwelle behandelt. Wenn alle Halbwellen bearbeitet sind, wird die Schleife verlassen und zu Schritt S760 fortgeschritten.
Somit wurde aus dem ursprünglichen Signal, welches aus einer Überlagerung von Sinusschwingungen gebildet wurde, eine frequenzmodulierte Rechteckschwingung, nämlich eine Signalfolge aus Rechteckimpulsen mit abhängig vom ursprünglichen Signal ggf. unterschiedlich langen Impulsdauern und/oder -abständen.
8 zeigt beispielhaft das Ergebnis einer derartigen Umwandlung. Das ursprüngliche Signal 82, hier gestrichelt dargestellt, ist in diesem Beispiel eine Überlagerung von Sinusschwingungen, wobei die Oberschwingungen eine steigende Amplitude gegenüber der Grundschwingung aufweisen. Die resultierende Rechteckschwingung 84 ist als durchgezogene Linie dargestellt.
In den Schritten S660 bzw. S760 der 6 bzw. 7 wird das Ergebnis der Umwandlung in beiden Fällen durch Bildung einer FFT überprüft. D.h. es wird überprüft, ob das erzeugte Signal den eingangs in den Schritten S610 bzw. S710 festgelegten Eigenschaften entspricht. Hierbei ist ggf. eine angemessene Toleranzschwelle festzulegen.
9 zeigt beispielhaft das ermittelte Frequenzspektrum 94 der Rechteckschwingung 84 aus 8. Das ideale Spektrum des ursprünglichen Signals ist unter Referenznummer 92 dargestellt.
Falls in Schritt S665 bzw. S765 festgestellt wird, dass das erzeugte Signal noch nicht die gewünschten Eigenschaften aufweist, wird zurück zu Schritt S620 bzw. S720 verzweigt, wobei in Schritt S670 bzw. S770 die Amplitude der Sinusschwingung, die die größte Abweichung aufweist, entsprechend angepasst, d.h. je nach Abweichung erhöht oder erniedrigt wird. Die Schritte S620 bis S670 bzw. S720 bis S770 werden dabei ggf. mehrfach durchgeführt, bis das erzeugte Signal innerhalb der geforderten Toleranz die gewünschten Eigenschaften aufweist oder eine vorherbestimmte maximale Anzahl von Durchläufen stattgefunden hat.
10 und 11 zeigen wiederum eine Rechteckschwingung 86 und deren Frequenzspektrum 96 nach der vorgenommenen Optimierung der Signale aus den 8 und 9.
Wenn in Schritt S665 bzw. S765 die Übereinstimmung des erzeugten Signals mit den gewünschten Eigenschaften bzw. die maximale Anzahl Durchläufe festgestellt wird, wird das Signal in Schritt S680 bzw. S780 in einen Signalgenerator geladen, mittels dem eine Verstärkerendstufe in Brückenschaltung angesteuert werden kann wie oben beschrieben.
Die beschriebenen Abläufe zur Erzeugung eines Anregungssignals können auf dem verwendeten Metallsuchgerät selbst oder auf einem externen Computer durchgeführt werden. Nach der Erzeugung kann die Impulsfolge bzw. Rechteckschwingung abgespeichert werden, um entsprechend mehrfach eingesetzt zu werden.
Zur Anwendung kann die erzeugte Rechteckschwingung bzw. Impulsfolge auf dem Metallsuchgerät beispielsweise in ein Schieberegister geladen werden oder von einem synchronen Zähler mit entsprechendem Schaltwerk in eine Impulsfolge für die Schaltelemente einer Endstufe zur Signalausgabe umgesetzt werden. Hier können beispielsweise FPGAs oder Microcontroller mit PWM-Einheit eingesetzt werden. Die Leistungsversorgung der Sendespule kann, wie beschrieben, durch eine einstellbare Versorgungsspannung einer Endstufe in Brückenschaltung erfolgen.
Bezugszeichenliste

1: Spulenanordnung
2: Frequenzgenerator
3: Signalprozessor
10: Spannungsquelle
11: Treiberschaltung
12: Signalgenerator
13: Sendespule
14: Produktstrom
20,21: Empfangsspule
20a, 21a: Ausgangsklemme
22: Übertrager
23, 24: Verstärker
25, 26: Tiefpass
27, 28, 29: Multiplizierer
30: Impulsfolgen-Generator
31, 32, 33: Tiefpassfilterung
34, 35, 36: Analog-Digital-Wandler
40, 41, 42: Sample and Hold-Schaltung
82: ursprüngliches Signal
84: Rechteckschwingung
86: Rechteckschwingung
92: ideales Spektrum des ursprünglichen Signals
94: Frequenzspektrum
96: Frequenzspektrum
100: Auswertung Messsignale
101 ... n01: Bandpassfilter
102 ... n02: Multiplizierer/Demodulatoren
103 ... n03: Multiplizierer/Demodulatoren
104 ... n04: Tiefpassfilter
105 ... n05: Tiefpassfilter
I: Realteil
Q: Imaginärteil
IR: Referenzsignal
fZF: Zwischenfrequenz
fs: Samplefrequenz
fg: Grundwelle

Claims

Verfahren zur Signalauswertung in einem Metallsuchgerät zur Erkennung von Fremdkörpern in einem zu untersuchenden Produkt oder Produktstrom (14), umfassend die Schritte: - Erzeugen eines Anregungssignals, welches ein Frequenzgemisch umfassend eine Grundschwingung und mindestens eine Oberschwingung, vorzugsweise mindestens eine ungeradzahlige Oberschwingung, umfasst, - Aufnehmen eines Messsignals aus einem auf Grundlage des Anregungssignals erzeugten Magnetfeld, - Umsetzen des Messsignals auf ein Zwischenfrequenzniveau, so dass ein Frequenzabstand zwischen der Grundschwingung und der mindestens einen Oberschwingung verringert wird, wobei das Umsetzen des Messsignals auf ein Zwischenfrequenzniveau mittels eines Analogmultiplizierers, vorzugsweise eines Gilbert-Demodulators, erfolgt und - Trennen der Anteile der Grund- und Oberschwingung bzw. Oberschwingungen im Messsignal und Auswerten dieser Anteile zur Erkennung von Fremdkörpern.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Analogmultiplizierer mit einer Schwingung, insbesondere einer Rechteckschwingung (84, 86), die zur Erzeugung des Anregungssignals verwendet wurde, angesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beim Umsetzen auf eine Zwischenfrequenz (fZF) ein komplexes Signal, insbesondere getrennt in Real- und Imaginärteil (I, Q), erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das auf das Zwischenfrequenzniveau umgesetzte Messsignal einer weiteren Demodulation unterzogen wird, welche separat für die Grund- und Oberschwingung bzw. Oberschwingungen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die weitere Demodulation mittels digitaler Signalverarbeitung, insbesondere mittels eines digitalen Signalprozessors, erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Anregungssignal mittels einer Impulsfolge mit einer vorherbestimmten Grundfrequenz und Amplitude erzeugt wird, wobei die Impulsfolge derart moduliert, insbesondere frequenzmoduliert wird, dass mindestens eine Oberschwingung eine vorherbestimmte Amplitude erhält, die im Wesentlichen gleich wie oder größer als die Amplitude der Grundschwingung ist.
Auswerteeinheit für ein Metallsuchgerät zur Erkennung von Fremdkörpern in einem zu untersuchenden Produkt oder Produktstrom (14), umfassend einen Eingang für ein Messsignal, welches eine Grundschwingung und mindestens eine Oberschwingung enthält, einen Umsetzer zur Umsetzung des Messsignals auf ein Zwischenfrequenzniveau, so dass ein Frequenzabstand zwischen der Grundschwingung und der mindestens einen Oberschwingung verringert wird, wobei der Umsetzer ein Analogmultiplizierer, insbesondere ein Gilbert-Demodulator, ist, ein oder mehrere Filter zum Trennen der Anteile der Grund- und Oberschwingung bzw. Oberschwingungen im Messsignal und Ausgänge zur Weitergabe dieser Anteile an eine Erkennungseinheit zur Erkennung von Fremdkörpern.
Auswerteeinheit nach Anspruch 7, wobei jedem der einen oder mehreren Filter zum Trennen der Anteile der Grund- und Oberschwingung bzw. Oberschwingungen ein weiterer Demodulator nachgeschaltet ist.
Auswerteeinheit nach Anspruch 8, umfassend einen Prozessor, insbesondere digitalen Signalprozessor (3), mittels welchem die weiteren Demodulatoren realisiert sind.
Metallsuchgerät zur Erkennung von Fremdkörpern in einem zu untersuchenden Produkt oder Produktstrom (14), umfassend eine Fördereinrichtung zum Transport des Produkts oder Produktstroms (14), eine Sendespule (13) zur Erzeugung eines Magnetfelds und zwei gegensinnig in Reihe angeordnete Empfangsspulen (20, 21) zur Aufnahme eines Messsignals, sowie eine Auswerteeinheit nach einem der Ansprüche 7 bis 9, deren Eingang das Messsignal zugeführt ist.
Metallsuchgerät nach Anspruch 10, umfassend eine Einrichtung zum Erzeugen eines Anregungssignals für die Sendespule (13), welches ein Frequenzgemisch umfassend eine Grundschwingung und mindestens eine Oberschwingung, vorzugsweise mindestens eine ungeradzahlige Oberschwingung, umfasst.
Metallsuchgerät nach Anspruch 11, wobei die Einrichtung zum Erzeugen eines Anregungssignals eingerichtet ist, das Anregungssignal mittels einer Impulsfolge mit einer vorherbestimmten Grundfrequenz und Amplitude zu erzeugen, wobei die Impulsfolge derart moduliert, insbesondere frequenzmoduliert wird, dass mindestens eine Oberschwingung eine vorherbestimmte Amplitude erhält, die im Wesentlichen gleich wie oder größer als die Amplitude der Grundschwingung ist.
Metallsuchgerät nach einem der Ansprüche 10 bis 12, umfassend eine Erkennungseinheit, welche eingerichtet ist zur Erkennung von Fremdkörpern auf Grundlage der von der Auswerteeinheit zur Verfügung gestellten Signalanteile.