DE1180550B

DE1180550B - Method for examining a relatively homogeneous medium for areas of different electrical conductivity and device for carrying out the method

Info

Publication number: DE1180550B
Application number: DEC25486A
Authority: DE
Inventors: Claus Colani
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1961-11-11
Filing date: 1961-11-11
Publication date: 1964-10-29

Description

Verfahren zum Untersuchen eines relativ homogenen Mediums auf Bereiche unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit und Vorrichtung zum Durchführen des Verfahreris Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Untersuchen eines relativ homogenen Mediums auf Bereiche unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit.Method for examining a relatively homogeneous medium for areas different electrical conductivity and device for performing the Procedure The invention relates to a method for examining a relative homogeneous medium to areas of different electrical conductivity.

Weiterhin bezieht sich die Erfindung auch auf eine vorteilhafte Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens.The invention also relates to an advantageous device for carrying out the method according to the invention.

Soll in einem räumlich umfangreichen Medium, das gegebenenfalls eine bestimmte elektrische Leitfähigkeit hat, eine Inhomogenität, beispielsweise in Form eines Einschlusses, festgestellt werden, so bestehen hierfür mehrere Möglichkeiten. Ist das Medium durchsichtig, so läßt sich die hinsichtlich der elektrischen Leitfähigkeit eventuell vorliegende Inhomogenität durch optische oder quasioptische Verfahren ermitteln. Bei für diese Methoden ungeeigneten Medien wäre in der Regel eine Untersuchung nur durch mechanisches Zerlegen oder Aufteilen des Gesamtmediums in relativ kleine Teilbereiche möglich. Diese relativ kleinen Teilbereiche können dann hinsichtlich der elektrischen Leitfähigkeit untersucht werden, wenn nicht schon auf Grund des rein optischen Eindrucks die gegenüber dem homogenen Medium unterschiedliche elektrische Leitfähigkeiten aufweisenden Inhomogenitäten ausgeschieden werden können. Häufig versagen diese Verfahren wegen der Größe des zu untersuchenden Mediums. Das ist beispielsweise dann der Fall, wenn für Zwecke der archäologischen Grabungstechnik im voraus eine Untersuchung zur Feststellung metallischer Objekte durchgeführt werden soll. Hierfür wendet man daher sogenannte Wirbelstromverfahren an, die für jegliche metallische Objekte anwendbar sind, sofern nur eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit vorliegt. Should be in a spatially extensive medium that may contain a has certain electrical conductivity, an inhomogeneity, for example in shape an inclusion, there are several possibilities for this. If the medium is transparent, the electrical conductivity possibly existing inhomogeneity due to optical or quasi-optical processes determine. In the case of media that are unsuitable for these methods, an investigation would usually be required only by mechanically dismantling or dividing the entire medium into relatively small ones Partial areas possible. These relatively small sub-areas can then with regard to the electrical conductivity should be examined, if not already on the basis of the purely optical impression the different electrical compared to the homogeneous medium Conductivity exhibiting inhomogeneities can be eliminated. Frequently these methods fail because of the size of the medium to be examined. That is for example the case when for purposes of archaeological excavation technology an examination to detect metallic objects must be carried out in advance target. For this purpose, so-called eddy current methods are used, which are suitable for all metallic objects are applicable, provided only sufficient electrical conductivity is present.

Wirbelstromverfahren arbeiten in der Weise, daß eine verhältnismäßig große Spule, die Such spule, von einem Wechselstrom durchflossen wird und somit ein magnetisches Wechselfeld erzeugt, das den zu untersuchenden Raum, Erdreich oder Wasser, durchdringt. Eddy current processes work in such a way that a relatively large coil, the search coil, is traversed by an alternating current and thus an alternating magnetic field is generated that affects the area to be examined, the ground or Water, permeates.

Befindet sich in diesem Raum ein metallisches Objekt, so werden in ihm Wirbelströme und entsprechend ein sekundäres magnetisches Wechselfeld induziert. Dieses sekundäre Feld ist die gesuchte Größe, das Kriterium für die Anwesenheit eines Objektes, und muß gemessen oder angezeigt werden. Dazu bieten sich verschiedene Möglichkeiten. Das sekundäre magnetische Wechselfeld wirkt auf die Suchspule zurück, es induziert in ihr eine Spannung und ändert damit ihre Impedanz. Also kann die Suchspule Meßglied einer abgestimmten Wechselstrombrücke sein. Das Objekt verstimmt die Brücke, die Spannung im Nullzweig der Brücke dient als Anzeige.If there is a metallic object in this room, in it induces eddy currents and accordingly a secondary alternating magnetic field. This secondary field is the size you are looking for, the criterion for presence of an object, and must be measured or displayed. There are various options for this Options. The secondary alternating magnetic field affects the search coil, it induces a voltage in it and thus changes its impedance. So she can Search coil measuring element of a matched AC bridge. The object is out of tune the bridge, the voltage in the neutral branch of the bridge is used as an indicator.

Ein weiteres Wirbelstromverfahren benutzt die Suchspule im frequenzbestimmenden Schwingungs- kreis eines frei schwingenden Oszillators. Die Impedanzänderung bewirkt eine Verstimmung, d. h. Änderung der Frequenz, die durch ein Zeigerinstrument oder durch Änderung der Höhe eins Kontrolltones oder dergleichen angezeigt wird. Es gibt noch weitere Wirbelstromverfahren, die aber letztlich alle die erwähnte Impedanzänderung einer oder mehrerer Suchspulen als Kriterium für ein Objekt benutzen. Another eddy current method uses the search coil to determine the frequency Vibrational circle of a freely oscillating oscillator. The impedance change causes an upset, d. H. Change in frequency indicated by a pointer instrument or is displayed by changing the height of a control tone or the like. There is still further eddy current processes, but ultimately all of them have the aforementioned change in impedance use one or more search coils as a criterion for an object.

Die Reichweite von Suchgeräten nach dem Wirbelstromverfahren ist durch die kleinste nachweisbare Impedanzänderung gegeben. Diese hängt nicht nur von der Empfindlichkeit des Gerätes ab, sondern auch von störenden Einflüssen der Umgebung. Die Begrenzung wird grundsätzlich von diesen äußeren Effekten bewirkt und hat zur Folge, daß in der Praxis nur relativ geringe Reichweiten erzielt werden können. The range of search devices using the eddy current method is given by the smallest detectable change in impedance. This doesn't just depend on the sensitivity of the device, but also on the disturbing influences of the Surroundings. The limitation is basically caused by these external effects and has the consequence that only relatively short ranges are achieved in practice can.

Beispielsweise läßt sich eine Platte aus Bronze mit den Abmessungen 10 10 cm 1 inm in feuchtem Erdreich nur bis zu einer Tiefe von etwa 80 cm noch feststellen, weil die natürlichen Inhomogenitäten für größere Tiefen bereits zu sehr in das Meßergebnis eingehen.For example, a bronze plate with dimensions 10 10 cm 1 inm in moist soil only to a depth of about 80 cm, because the natural inhomogeneities for greater depths already have too much influence on the measurement result enter.

Diese Schwierigkeiten werden wesentlich vermindert? wenn bei einem Verfahren zum Untersuchen eines relativ homogenen Mediums auf Bereiche unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit, bei dem in einem räumlich begrenzten Bereich des Mediums ein primäres Magnetfeld erzeugt wird, welches über die hierdurch im Medium verursachten Wirbelströme ein sekundäres, die Anzeigemittel beeinflussendes Magnetfeld hervorruft, erfindungsgemäß das primäre Magnetfeld nur während einer vorbestimmten Zeitspanne wirksam ist und die Anstiegs- und/oder Abklingzeit des'resultierenden Magnetfeldes gemessen wird, das sich aus dem primären und sekundären Magnetfeld zusammensetzt, und wenn die so bestimmte Anstiegs- und/oder Abklingzeit zu den entsprechenden Zeiten eines absolut homogenen Mediums in Relation gesetzt wird. Are these difficulties significantly reduced? if with one Method for examining a relatively homogeneous medium for areas of different electrical conductivity in which in a spatially limited area of the medium a primary magnetic field is generated, which is caused by this in the medium Eddy currents cause a secondary magnetic field that influences the display means, according to the invention the primary magnetic field only during a predetermined period of time is effective and the rise and / or decay time of the resulting magnetic field is measured, which is composed of the primary and secondary magnetic field, and if the so determined rise and / or Cooldown to the corresponding times of an absolutely homogeneous medium is put in relation.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht vor allem auch in einem gegebenenfalls räumlich sehr großen Medium eine Groborientierung über das Vorhandensein von Inhomogenitäten, die eine gegenüber dem Medium unterschiedliche elektrische Leitfähigkeit haben. The method according to the invention enables above all in one possibly a spatially very large medium a rough orientation about the presence of inhomogeneities that have a different electrical power than the medium Have conductivity.

Eine vorteilhafte Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer von einem Stromgenerator gespeisten Leiterschleife zum Erzeugen des Magnetfeldes und mit einem an diese oder an eine weitere Leiterschleife angeschlossenen Anzeigemittel für das durch das zu untersuchende Medium modifizierte Magnetfeld ist gekennzeichnet durch einen Generator, der einen Strom mit vorbekanntem zeitlichem Amplituden- und Flankenverlauf erzeugt, und durch eine solche Ausbildung des Anzeigemittels, daß die Anstiegs- und/oder Abklingzeit des resultierenden Magnetfeldes bestimmbar ist. Hierbei empfiehlt es sich vorzugsweise am Empfängereingang Mittel zum Sperren der Anzeige zumindest während eines Abschnittes der Aufbau- und/oder Abklingzeit des primären Magnetfeldes vorzusehen. Außerdem ist es vorteilhaft, wenn der Generator einen Strom nach Art einer Sprungfunktion abgibt, die sich periodisch in größeren Zeitabständen als die Anstiegs- und Abklingzeiten wiederholt. Zweckmäßig ist es außerdem, wenn zur Anzeige des vom Empfänger gelieferten Meßergebnisses ein Oszillograph vorgesehen ist. An advantageous device for performing the inventive Method with a conductor loop fed by a current generator for generating of the magnetic field and with one connected to this or to another conductor loop Display means for the magnetic field modified by the medium to be examined is characterized by a generator that generates a current with a previously known time Amplitude and edge profile generated, and by such a design of the display means, that the rise and / or decay time of the resulting magnetic field can be determined is. In this case, it is recommended that locking means are preferably provided at the receiver input the display at least during a portion of the build-up and / or decay time of the primary magnetic field. It is also advantageous if the generator emits a current in the manner of a step function, which changes periodically in larger Intervals as the rise and fall times are repeated. It is useful in addition, if an oscilloscope is used to display the measurement result delivered by the receiver is provided.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist, wie Untersuchungen zeigten, außer zur Grobuntersuchung eines räumlich sehr ausgedehnten Mediums mittels einer relativ großen Leiterschleife, auch zu einer gewissen Feinstrukturuntersuchung geeignet, wenn nur die Leiterschleifen im Flächeninhalt kleiner gewählt werden. Die Leiterschleife kann das Medium richtiggehend umfassen. Für viele Fälle ist es aber auch ausreichend, wenn die Leiterschleife auf die Außenfläche des Mediums nur aufgelegt wird. As studies have shown, the method according to the invention is except for a rough examination of a spatially very extensive medium by means of a relatively large conductor loop, also suitable for a certain fine structure investigation, if only the conductor loops are chosen to be smaller in area. The conductor loop can actually comprise the medium. In many cases, however, it is also sufficient if the conductor loop is only placed on the outer surface of the medium.

Nachstehend wird die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels erläutert. The invention is described below using an exemplary embodiment explained.

In der F i g. 1 ist ein Schema gezeigt, an Hand dessen das Funktionsprinzip erklärt werden soll. Der Primärkreis besteht aus einer Gleichstromquelle 1, einem Schalter 2, einer Spule 3 und einem Dämpfungswiderstand 4. Wird der Schalter 2 geschlossen, so fließt ein Strom durch die Spule 3, und ein magnetisches Feld H1 baut sich auf, welches auch in das unter Umständen eine gewisse elektrische Leitfähigkeit aufweisende Medium 5 eindringt. Wird der Schalter 2 geöffnet, so bricht das Feld H1 zusammen, und zwar mit einer Zeitkonstante T1 entsprechend der Größe R des Widerstandes 4 und der Induktivität L der Spule 3. Es gilt T1 = L/R. Das zusammenbrechende Feld induziert im Medium 5 einen Strom 12, der entsprechend der Leitfähigkeit und der Geometrie der Strombahnen, d. h. der Induktivität des Mediums abklingt. Die Zeitkonstante T2 dieses Vorganges stellt beim Ausführungsbeispiel die gesuchte Meßgröße dar. In FIG. 1 shows a diagram on the basis of which the functional principle should be explained. The primary circuit consists of a direct current source 1, a Switch 2, a coil 3 and a damping resistor 4. If switch 2 is closed, so a current flows through the coil 3, and a magnetic field H1 builds up, which may also have a certain electrical conductivity Medium 5 penetrates. If switch 2 is opened, field H1 collapses, with a time constant T1 corresponding to the size R of the resistor 4 and the inductance L of the coil 3. T1 = L / R applies. The collapsing field induces a current 12 in the medium 5, which corresponds to the conductivity and the Geometry of the current paths, d. H. the inductance of the medium decays. The time constant T2 of this process represents the measured variable in the exemplary embodiment.

Sie ist allein abhängig von den Eigenschaften des Mediums und seinen eventuellen Inhomogenitäten.It is solely dependent on the properties of the medium and its possible inhomogeneities.

Zur Messung dient eine Spule 6 des Sekundärkreises.A coil 6 of the secondary circuit is used for the measurement.

Sie wird sowohl vom Feld H1 der Spule 3 als auch vom magnetischen Feld H2 des Stromes 12 im Medium 5 durchsetzt. An ihren Klemmen entsteht eine Spannung proportional den Änderungen beider Felder.It is both from the field H1 of the coil 3 and from the magnetic Field H2 of stream 12 in medium 5 penetrates. A voltage is created at their terminals proportional to the changes in both fields.

Man nennt die zugehörigen Spannungen an den Klemmen der Spule 6 jeweils U, und U2, so daß die Gesamtspannung U = ul e f T1 ' U2e-t T, wird.The associated voltages are called Clamping the coil 6 respectively U, and U2, so that the total voltage U = ul e f T1 'U2e-t T becomes.

Ul ist naturgemäß viel größer als U2. Der Primäre kreis soll so dimensioniert sein, daß T1 viel kleiner als Ts wird. Damit klingt Ul e-t T wesentlich schneller ab als U2e-t'T. und wird nach kurzer Zeit, die die Übergangszeit genannt werden soll, vernachlässigbar klein. Nach dieser Zeit kann an den Klemmen der Spule 6 in an sich bekannter Weise, z. B. mittels eines Oszillographen, die Spannung U2 e-t T, gemessen werden, woraus T2 ermittelt werden kann (vgl. Ul is naturally much larger than U2. The primary circle should be dimensioned in this way be that T1 becomes much smaller than Ts. This makes Ul e-t T sound much faster from as U2e-t'T. and after a short period of time will be called the transition period should, negligibly small. After this time, the terminals of the coil 6 in in a manner known per se, for. B. by means of an oscilloscope, the voltage U2 e-t T, from which T2 can be determined (cf.

Fig. 2).Fig. 2).

Im Schema der F i g. I folgt auf die Spule 6 ein Schalter 7, der den Verstärker 8 während der Ubergangszeit von der Spule 6 trennt. Damit wird eine Überlastung des Verstärkereinganges durch die unter Umständen sehr große Spannung U1 vermieden. In the scheme of FIG. I follows the coil 6, a switch 7, the separates the amplifier 8 from the coil 6 during the transition time. This becomes a Overload of the amplifier input due to the possibly very high voltage U1 avoided.

Außerdem wird gewährleistet, daß dem Verstärker 8 praktisch nur die gewünschte Funktion U2 e-t'T2 zugeführt wird. Der Schalter 7 wird im allgemeinen ein elektronisches Gerat, z. B. eine Röhrenschaitung, sein, da sehr kurze Schaltzeiten, z. B. 10- . . . 10-8 Sekunden, zur Bestimmung von Inhomogenitäten nötig sein können. Auf den Verstärker 8 folgt ein Anzeigegerät 9, zweckmäßigerweise ein Elektronenstrahloszillograph.It is also ensured that the amplifier 8 practically only the desired function U2 e-t'T2 is supplied. The switch 7 is generally an electronic device, e.g. B. a tube circuit, as very short switching times, z. B. 10-. . . 10-8 seconds may be necessary to determine inhomogeneities. The amplifier 8 is followed by a display device 9, expediently an electron beam oscillograph.

Die wesentlichen Merkmale des Ausführungsbeispiels bestehen in der Verwendung eines primären Magnetfeldes, das schnell zum Abklingen gebracht wird und dabei ein sekundäres Magnetfeld im zu untersuchenden Medium hervorruft, welches wesentlich langsamer abklingt. Der große Unterschied der Abklingzeitkonstanten ermöglicht einem Empfänger die zeitliche Trennung der Signale. The main features of the exemplary embodiment consist in the Using a primary magnetic field that is rapidly decayed causing a secondary magnetic field in the medium to be examined, which decays much more slowly. The big difference in decay time constants allows a receiver the temporal separation of the signals.

Analog ist das erfindungsgemäße Verfahren auch in der Weise durchführbar, daß der Aufbau des Magnetfeldes untersucht wird, da auch hierbei ein Primärfeld und ein Sekundärfeld gegeben sind. The method according to the invention can also be carried out analogously in such a way that that the structure of the magnetic field is investigated, since this is also a primary field and a secondary field are given.

Claims

Claims: 1. Method for examining a relatively homogeneous Medium to areas of different electrical conductivity, in which in one spatially limited area of the medium a primary magnetic field is generated, which A secondary display means via the eddy currents caused in the medium the influencing magnetic field, which is d u n g e n n n s e i c h n e t that the primary magnetic field is effective for a predetermined period of time and the rise and / or decay time of the resulting magnetic field is measured which is composed of the primary and secondary magnetic field, and that the rise and / or decay time determined in this way at the corresponding times of a is put in relation to an absolutely homogeneous medium.

2. Apparatus for performing the method according to claim 1 with a conductor loop fed by a current generator to generate the magnetic field and with a display means connected to this or to a further conductor loop for the magnetic field modified by the medium to be examined by a generator that generates a current with a previously known time Amplitude and edge profile generated, and by such a design of the display means, that the rise and / or decay time of the resulting magnetic field can be determined is.

3. Apparatus according to claim 2, characterized by preferably Means provided at the receiver input for blocking the display at least during a portion of the build-up and / or decay time of the primary magnetic field.

4. Apparatus according to claim 2 and 3, characterized in that the generator delivers a current in the manner of a step function, which changes periodically repeated at greater time intervals than the rise and fall times.

5. Device according to one of claims 2 to 4, characterized by the use of an oscilloscope as a display means.

Documents considered: British Patent Specification No. 599 912, 825 955.