DE2837265A1

DE2837265A1 - Verfahren und systemanordnung zur identifizierung von leitfaehigen gegenstaenden

Info

Publication number: DE2837265A1
Application number: DE19782837265
Authority: DE
Inventors: Larry Howard Capots; James Paul George; William David Gregory; Richard Janik
Original assignee: Georgetown University
Current assignee: Georgetown University
Priority date: 1978-08-25
Filing date: 1978-08-25
Publication date: 1980-03-06
Also published as: NL7903965A; CA1157096A; FR2456951B1; SE7904329L; SE440832B; FR2456951A1; GB1603578A; CH660799A5; DE2837265C2

Description

Georgetown Uni
Tm ML^;LIR · MuLLtIR · STLiNMLIISTLR TT-1O1-GER

BESCHREIBUNG

Gegenstand der Erfindung ist ein System und ein Verfahren zur Ermittlung und Klassifizierung von leitfähigen
Gegenständen, also insbesondere von Gegenständen aus

Metall.
*

Prüf- und Abtastsysteme für leitende, insbesondere
metallische Körper sind seit mehr als 30 Jahren bekannt und
in vielfältigen Formen verbreitet; sie eignen sich insbesondere zur Bestimmung des Vorhandenseins von metallischen Teilen. Abtasteinrichtungen dieser Art haben ein weites Anwendungsfeld und sind in neuerer Zeit in großem Umfang zur Aufspürung von versteckten Waffen eingesetzt worden. Die bekannten Systeme -sind jedoch, soweit sie zur Aufspürung von Waffen verwendet
werden, nicht in der Lage, zwischen unterschiedlichen Typen
von metallischen Gegenständen rasch und zuverlässig zu unterscheiden.

Bei den bekannten Systemen wird eine Induktionsspule
verwendet, der ein Oszillatorsignal zugeführt wird. Die

Überprüfung und Anzeige war nur allgemein auf die Bestimmung beschränkt, ob ein metallischer Gegenstand innerhalb des überprüften Bereichs vorliegt, ohne daß der PrüfVorgang besonders präzis durchgeführt werden konnte. Vor allem konnte nur
schematisch zwischen Gegenständen mit leitender Eigenschaft ' aber unterschiedlichen Typs unterschieden werden, so daß vor allem bei der Personenüberprüfung on Flughafen permanent ein Problem wegen Fehlanzeige mit nachfolgender lästiger Körperuntersuchung gegeben war.

Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, ein
Prüfsystem zu schaffen, mit dem sich bestimmte Gegenstände

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mit leitenden Eigenschaften wesentlich genauer und wiederholt reproduzierbar unterscheiden lassen.

Die erfindungsgemäße Systemanordnung zur Erfassung von leitenden Gegenständen weist die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale auf.

Das zugrundeliegende Verfahren gemäß der Erfindung ist ebenfalls in Patentansprüchen gekennzeichnet. 10

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind u.a. in der nachfolgenden Beschreibung dargestellt und in Unteransprüchen wiedergegeben.

Mit dem erfindungsgemäßen System und dem zugrundeliegenden Verfahren ist es möglich, eine sehr genaue Information über die Art eines leitenden Objekts zu erhalten, das in das Feld einer Magnetspule des Meßsystems gelangt. Insbesondere läßt sich eine Information für die verschiedenen metallischen Komponenten gewinnen, wenn mehr als ein bestimmter Metallbestandteil· vorliegt. Damit ist es rasch und zuverlässig möglich, unterschiedliche Arten metallischer Objekte zu unterscheiden, um Fehlalarme bei den unterschiedlichsten Prüf- und Überwachungsproblemen wesentlich besser zu vermeiden, als dies bisher möglich war.

Das erfindungsgemäße Prüfsystem zeichnet sich durch eine überragende reproduzierbar darstellbare Genauigkeit aus und kann eine Anwendung in den unterschiedlichsten Bereichen finden, etwa bei der Metallklassifizierung, bei der Abtastung und Formüberprüfung, bei der Prüfung von leitenden Lösungen; zur Prüfung von tierischem Gewebe u.dgl., bei der Etikettierung, Sortierung usw.

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In dem speziell erwähnten Anwendungsbereich bei der Personenkontrolle eignet sich die Erfindung deshalb besonders, weil zwischen unterschiedlichen Metallarten sehr genau unterschieden werden kann, so daß in Verbindung mit einem automatisehen Prüfsystem Handfeuerwaffen unterschiedlichen Typs rasch ermittelt und festgestellt werden können.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die neuartige Prüfsystemanordnung nützt die Entdeckung aus, daß ein zunächst abgeglichenes Spulensystem nach dem Einbringen eines leitenden oder metallischen Körpers die wahre oder reine Widerstandskomponente seiner Systemimpedanz aufgrund von Wirbelstromverlusten ändert und einen Wert erreicht, der sich geteilt durch die zugeführte Frequenz ( ^=|—) - mit der Frequenz verändert und einen Peak oder Spitzenwert bei einer einzigen darauf bezogenen Peak-Frequenz zeigt. Dieser Peakfrequenzwert ist proportional zum Querschnitt des Objekts in einer Ebene quer zur Spule. Zusätzlich wurde ermittelt, daß die Peakfrequenz, bzw. jene Frequenz, die beim Maximal-

A. R
wert von *■«— auftritt, proportional ist zum spezifischen Widerstand des Körpers oder der Probe geteilt durch deren Querschnittsfläche.

Diese Ergebnisse lassen sich jedoch nur dann gewinnen, wenn sehr exakte Meßverhältnisse vorliegen und weitgehend alle Störeffekte oder Fremdeinflüsse aufgrund der verschiedenen Systemkomponenten, etwa des Frequenzgenerators, der Spule und Detektorschaltkreise berücksichtigt werden. Um ein wahres Bild für den Einfluß der Probe oder des überprüften Körpers zu erhalten, muß dann lediglich die Änderung der reinen Widerstandskomponente im Spulensystem betrachtet werden.

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Die Änderung der wahren Widerstandskomponente läßt sich nur dann mit ausreichender Genauigkeit feststellen, wenn das Ausgangssignal innerhalb eines Grads der Phase auf das der Eingangsspule zugeführte Signal bezogen wird. Wenn diese Phasenbeziehung, die nachfolgend als "(^-Phasenverschiebung" bezeichnet wird, nicht eingehalten wird, kann die für die bevorzugten Anwendungsbereiche der Erfindung erwünschte und geforderte Genauigkeit nicht erzielt werden.

In bevorzugter Ausführungsform enthält die Erfindung ein zuvor abgeglichenes sehr stabiles Spulenprüfsystem, mit dem sich die Art eines leitenden Gegenstands, seine Eigenschaften und - soweit aus Metall - seine Gestalt und seine Querschnittsfläche messen lassen durch Ermittlung des Betrags der Abweichung oder der Unsymmetrie einer Abgleichspannung bei verschiedenen Frequenzen. Die wahre Widerstandskomponente wird dabei sehr genau gemessen und zeigt lediglich den Spannungsverlust aufgrund von Wirbelströmen beim Einbringen des Gegenstands oder der Probe in das Spulensystem an. Wird diese Spannung - geteilt durch die für die einzelnen Meßpunkte maßgebliche Frequenz - als Kurve aufgetragen, so zeigen sich für bestimmte Frequenzwerte Spitzenwerte in Abhängigkeit von der Art des eingebrachten leitenden Körpers. Für einen metallischen Körper ist diese Peak-Frequenz proportional zum spezifischen Widerstand der Probe geteilt durch deren Querschnittsfläche.

Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten werden nachfolgend unter Bezug auf die Zeichnung in beispielsweisen Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Prüf- oder Detektorschaltkreis zur Erfassung einer Gegeninduktionj

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Fig. 2 die graphische Darstellung des Signals in der Sekundärspule zur Verdeutlichung der Veränderung oder Verschiebung, die auftritt, wenn ein metallisches Objekt zwischen die Spulen bei der Anordnung nach Fig. 1 eingebracht wird;

Fig. 3 das Vektor-Diagramm des Spannungsamplituden-

vektors, aus dem sich die Widerstandskomponente ablesen läßt;

Fig. 4 in graphischer Darstellung den Verlauf der Widerstandskomponente, geteilt durch die jeweili

ge Frequenz und aufgetragen über der Frequenz für einen metallischen Gegenstand; Fig» 5 die graphische Darstellung der Spitzenwerte der Widerstandskomponente, jeweils geteilt durch zugeordnete Peak-Frequenz, aufgetragen über dem Reziproken der Peak-Frequenz, woraus sich die lineare Abhängigkeit der Spitzenwerte von der Querschnittsfläche bzw. der Querschnittsgeometrie ablesen läßt, wenn das jeweils überprüfte metallische Objekt sich ändert;

Fig. 6 eine der Darstellung von Fig. 5 ähnliche Kurvenschar, aus der sich die lineare Abhängigkeit bei unterschiedlichen Arten von metallischen Objekten erkennen läßt;

Fig. 7 eine der Darstellung von Fig. 4 ähnliche Kurvenschar zur Verdeutlichung insbesondere des Verlaufs der Peak-Werte, wenn mehrere Stücke in die Meßspule eingebracht werden;

Fig. 8 eine zweite Art eines Detektorschaltkreises unter Verwendung einer abgeglichenen Brücken

anordnung;

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Fig. 9 eine andere Art eines Detektorschaltkreises mit einem abgeglichenen Sekundärkreis mit unterteilter Spulenanordnung;

Fig. 10 den Verlauf der Widerstandskomponente, ge-

teilt durch die Frequenz, aufgetragen über der Frequenz, woraus sich einwandfrei charakteristische Kennwerte für einen Smith-and-Wesson-Revolver aus nichtrostendem Stahl ablesen lassen;.

Fig. 11 den Verlauf der Widerstandskomponente, geteilt durch die Frequenz, aufgetragen über der Frequenz für einen Titan.25-Revolver;

Fig. 12 das Blockschaltbild eines Detektorsystems, bei dem ein Minicomputer zum raschen Vergleich der durch den Prüfvorgang ermittelten Kenndaten mit solchen von bekannten Objekten verwendet wird;

Fig. 13 das Blockschaltbild der Software-Elemente für das Detektorsystem der Fig. 12 und

Fig. 14 das Blockschaltbild eines Detektorsystems für phasenempfindliche Abtastung, bei dem analoge Schaltkreise in Verbindung mit integrierten logischen Digitalbausteinen vorwendet sind.

Das in Fig. 1 allgemein mit 10 bezeichnete Prüf- oder Detektorsystem umfaßt eine Wechselstromsignalquelle 12, die ein Signal an eine Eingangs- oder Primärspule 14 abgibt. Eine Sekundärspule 16 ist an einen Phasendetektor 18 angeschlossen, der im Signal der Sekundärspule auftretende Veränderungen erfaßt, wenn ein metallischer Gegenstamd 20 in das Magnetfeld eingebracht wird, das in der Zeichnung schematisch als zwischen der Primärspule 14 und der Sekundärspule 16 vorhanden angenommen wird. Dur Spulendurchmesser kann prinzipLell bolLebig gewählt sein von baxspLelsv/e Lse ca. 30 cm

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(12") für kleinerer Proben bis zu mannshohem Durchmesser von beispielsweise 1 ,8 m (6¹). Das Objekt kann entweder in die Spule eingebracht werden, um ein maximales Ansprechen zu erzielen, oder außerhalb, jedoch in die unmittelbare Nähe der Spule, solange es im Wirkungsbereich des erzeugten Magnetfelds sich befindet.

Durch Versuche wurde gefunden, daß für Gegenstände, die Metalle enthalten oder aus Metallen bestehen, Frequenzbereiche von etwa 100 bis zu 10 000 Hertz geeignet sind. Steigt die Frequenz jedoch in den Bereich von 1 bis 10 Megahertz an, so lassen sich gute Prüfergebnisse für Proben oder Körper erhalten, die leitende Eigenschaften aufweisen, wie etwa metallpulverhaltige Explosivstoffe, tierische Gewebe, wäßrige Lösungen, Ionen enthaltende Lösungen und Suspensionen. Das Vektor-Diagramm der Fig. 3 zeigt die Situation, wenn ein in Fig. 1 mit Bezugshinweis 20 bezeichnetes Metallobjekt in das Feld zwischen der Primärspule 14 und der Sekundärspule 16 eingebracht wird. Der Amplitudenvektor A ist mit 32 bezeichnet.

Dieser Vektor weist einen Winkel 3 4 gegen die 0 -Phasenlinie auf und entspricht dem Betrag der Verschiebung, die in Fig. 2 in der unteren graphischen Darstellung mit Bezugshinweis 30 angegeben ist. Der im Zusammenhang mit der Erfindung interessante Wert ist die Widerstandskomponente /\ R, die mit Bezugshinweis 36 angegeben ist und entlang der 0 -Phasenlinie verläuft. Dieser Wert entspricht dem durch den Phasendetektor 18 erfaßten Auslesebetrag, der einer der für das Grundprinzip der Erfindung wesentlichen Werte ist. Mit diesem Wert ist es möglich, den Spitzenwert des Wirbelstromverlustes zu ermitteln, und zwar durch Auftragen der durch die entsprechende Frequenz geteilten Widerstandskomponente über der Frequenz. Dies ist in Fig. 4 für eine Metallprobe mit drei unterschiedlichen Quer-

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schnittsbereichen dargestellt. Die größere Probe A wird durch die Kurve 38 mit einem bei 40 liegenden Spitzenwert wiedergegeben. Der Kurvenverlauf zeigt deutlich einen Spitzenwert bei einer bestimmten, durch die gestrichelte Linie 42 markierten Frequenz, die im folgenden als "Peak-Frequenz" bezeichnet wird. Aus dieser Kurvendarstellung läßt sich der Wert der Peak-Frequenz und die durch die Frequenz geteilte Widerstandskomponente auffinden.

Die Probe B weist einen kleineren Querschnitt auf als die Probe A; sie besteht jedoch aus dem gleichen Material. Der Verlauf der Meßkurve 44 zeigt einen Spitzenwert oder Peak bei 46, dessen Amplitude niedriger liegt als die bei der größeren Probe A. Die Peak-Frequenzlinie 48 läßt erkennen, daß die Peak-Frequenz für diese kleinere Probe höher liegt als bei der größeren Probe A.

Ähnliches läßt sich für eine Probe C sagen, die wiederum aus dem gleichen Metall besteht wie die Proben A und B, jedoch abermals eine kleinere Querschnittsfläche aufweist als die Probe B. Die Peak-Frequenzkurve 50 für die Probe C zeigt einen flacheren Verlauf mit einem Peak-Wert 52 mit beträchtlich kleinerer Amplitude als die der beiden anderen Proben. Die Peak-Frequenzlinie 54 zeigt, daß auch der Wert der Peak-Frequenz beträchtlich höher liegt.

Es sei bemerkt, daß die Peaks aller drei Probenwerte, wie in Fig. 4 dargestellt, zueinander in einer Beziehung stehen, was sich aus der in Fig. 5 gezeigten Darstellung bei Verwendung des Reziprokwerts der Frequenz ersehen läßt. Hinsichtlich der Peak-Frequenzwerte liegen alle drei Proben auf einer geraden Linie 58. Die auf der Ordinate aufgetragene Amplitude gibt in dieser Darstellung die Widerstandskomponente

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an, geteilt durch die jeweilige Peak-Frequenz, während auf der Abszisse das Reziproke der Peak-Frequenzwerte aufgetragen ist.

Die Peak-Frequenzwerte für die Proben A, B und.C sind durch Bezugshinweise 58, 60 bzw. 62 markiert. Die gestrichelte Linie 64 entspricht einem geometrischen Faktor. Es wurde gefunden, daß die Neigung dieser Linie mit Änderungen in den Querschnittsabmessungen geringfügig variiert= In dieser graphischen Darstellung zeigt die Linie 58 Ablesewerte, die von einem Prüfobjekt mit Rechteckquerschnitt gewonnen wurde. Die gestrichelte Linie 64 gibt die Neigungsänderung an, die für eine wesentliche Änderung in der Geometrie zu erwarten ist. ^: ,""-."..

;

Es sei bemerkt, daß diese Peak-Frequenzwerte in Abhängigkeit von der Art des verwendeten Metalls beträchtlich variieren können insoweit der spezifische Metallwiderstand als Hauptfaktor berücksichtigt wird. Dies läßt sich deutlich aus der graphischen Darstellung der Fig. 6 ablesen.

Die Art der graphischen Darstellung in Fig. 6 entspricht jener von Pig. 5 und zeigt die Antwort- oder Ansprechkennwerte für unterschiedliche Metallproben. Es sei bemerkt., daß bei dieser Darstellung die Spulenabmessungen für die gegebenen Werte insoweit berücksichtigt werden, als die Peak-Amplitudenwerte jeweils den durch die Peak-Frequenz geteil-ten Wert der Widerstandskomponente einschließen, als auch den Reziprokwert der Windungszahl der Eingangsspule und den Reziprokwert der magnetischen Induktion, ausgedrückt in Weber pro Quadratmeter ( —'—ψ- . ). Auf der Abszisse ist bei dieser Darstellung das Reziproke der Peak-Frequenz

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in Hunderstel Sekunden aufgetragen.

Die in dieser graphischen Darstellung erkennbaren Bänder für unterschiedliche Metallarten zeigen einen weiten Bereich von Neigungswerten. Der piraäre Faktor zur Bestimmung der Neigung der Bänder ist der spezifische Widerstand des jeweiligen Metalls. Das Band 66 beispielsweise, das dem Linearbereich der Peak-Werte für nichtrostenden Stahl entspricht, läßt einen sehr hohen spezifischen Widerstand erkennen im Vergleich zu den besser leitenden Metallen wie etwa Kupfer und Aluminium. Das Band 68 zeigt den Bereich der Peak-Frequenzwerte für Stahl. Dieses Band als auch die übrigen in der Darstellung veranschaulichten Bänder verlaufen fächerartig vom Ursprung 70 aus. Der weite Bereich der Neigungen für jedes der Bänder stimmt mit dem entsprechenden relativ weiten Bereich der spezifischen Widerstandswerte für die Metalle der gewählten Beispiele überein. Die nachfolgende Tabelle für Metalle und ihren jeweiligen spezifischen Widerstand verdeutlicht dies:

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Metalle Spezifischer Widerstand

(μ £1 - cm )

Kupfer 1,7

Aluminium 4,0

Messing 7,0

¹^ Stahl 10,0

nichtrostender Stahl 72,0

Die vergleichsweise geringfügig divergierenden Linien, die die Breiten jedes Bands bestimmen, etwa die Linien 72 und 74jreflektieren geringe Änderungen in der Neigung aufgrund der geometrischen Querschnittsabmessungen der jeweils betrachteten Probe. Die Peak-Frequenz für Messing, Aluminium und Kupfer wird durch die Bänder 76, 78 bzw. 80 veranschaulicht.

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Hinsichtlich der Änderungen der Querschnittsgeometrie laßt sich die im Versuch verwendete Probe dahingehend charakterisieren, daß das geometrische Verhältnis G gleich ist dem Quadrat der Breite geteilt durch das Quadrat der Höhe

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der Probe, d.h., G = a /b . Dieser Faktor wird für die graphische Wiedergabe der Bänder für jedes Metall berücksichtigt, wobei die untere Linie einem quadratischen Block (G=1) des Probenkörpers entspricht, während die obere Linie auf einen rechteckfÖrmigen Block bezogen ist, dessen Breite dem Zwiefachen der Höhe entspricht (G=4).

Betrachtet man beispielsweise das Aluminiumband 78 (vgl. Fig. 6), so enthält die untere Linie den Punkt 82, auf dem eine quadratische Aluminiumprobe mit etwa 2,54 cm Kantenlänge liegt (G=I). Der reziproke Peak-Frequenzwert liegt bei etwa 0,58 Hundertstel einer Sekunde, während die

A -ο -ι

Amplitude der Widerstandskomponente, —ψ— . ^— , bei

ρ ο einem Wert kurz unterhalb von 7,5 zu finden ist.

Entsprechend liegt der Punkt 84 auf einer Linie, die die obere Grenze (G=4) des Aluminiumbands 78 definiert. Dies wäre also der Punkt eines Auslesewerts für einen Aluminiumkörper mit 2,54 χ 2,54 cm Querschnittsfläche und einer doppelt so großen Breite wie Höhe. Der Punkt 84 weist einen geringfügig höheren Amplitudenwert und einen geringfügig niedrigeren Zeitwert für die reziproke Frequenz auf. Experimentell ermittelte Daten mit Blöcken gleicher Querschnittsabmessungen für andere Metalle ergaben Werte für sämtliche dieser Metalle, deren Amplitude bei Proben mit 2,54 χ 2,54 cm Querschnittsfläche etwa jenen der Punkte 82 und 84 insbesondere im Bereich eines Werts Von etwa 7,5 entsprachen.

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Beispielsweise läge die Amplitude einer quadratischen Kupferprobe mit einer Querschnittsfläche --on 2,54 χ 2,54 cm bei 7,5 und der Wert der reziproken Peak-Frequenz bei 1,4 Hundertstel Sekunden.
5

Obgleich ersichtlich ist, daß Änderungen in der Querschnittsgeometrie einen geringen Einfluß auf die Neigung der Geraden erkennen lassen, kann doch gesagt werden, daß dieser Einfluß auf die Neigung in Abhängigkeit von Querschnittsunterschieden nicht nennenswert ist, daß jedoch eine große Abhängigkeit sowohl hinsichtlich der Amplitude als auch der Werte der reziproken Frequenz zu beobachten ist. Letztere ändern sich jedoch proportional und fallen auf die Linie G=1 für jedes Band, wo die Versuchsproben quadratisch sind. Für eine quadratische Probe mit einer quadratischen Querschnittsfläche von 1,27 χ 1,27 cm liegt der Peak-Frequenzpunkt etwa auf der Hälfte zwischen dem Ursprung 70 und dem Punkt 84. Für ein quadratisches Prüfobjekt aus Aluminium mit einer Querschnittsflache von ca. 5 χ 5 cm liegen die Peak-Frequenzwerte auf der Linie G=T bei einem Punkt auf doppelter Distanz des Punkts 82 vom Ursprung 70.

Um die graphische Darstellung der Fig. 6 zur Bestimmung des spezifischen Widerstands und der Querschnittsfläehe eines unbekannten Objekts zu benutzen, werden die Werte für die Amplitude und die reziproke Peak-Frequenz aus der graphischen Darstellung gem. Fig. 4 ermittelt. Erreicht das Reziproke der Peak-Frequenz einen Wert von O,54 Hundertstel Sekunden, so ergibt sich damit die vertikale Bezugslinie 86. Der Amplitudenwert ( ——. ) beträgt 6,5 χ 10 , d.h., es

ρ ο

wird die horizontale Bezugslinie 88 festgelegt. Die Überschneidung dieser beiden Linien bei 90 deutet an, daß das

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im Spulensystem befindliche unbekannte Objekt aus Aluminium besteht und eine Querschnittsflache von etwas weniger als 2,45 χ 2,45 cm aufweist.

Durch die Trennung der einzelnen Bänder voneinander ist es möglich, aufgrund der Widerstandskomponente und der Reziprokwerte der Peak-Frequenz, rasch die Metallart zu bestimmen, selbst wenn beträchtliche Unterschiede in der Querschnittsform vorliegen.

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Die bisherige Betrachtung ging von einem einzigen Metallobjekt aus. In den meisten PrüfSituationen jedoch sind mehrere unterschiedliche Objekte, beispielsweise mit mehreren unterschiedlichen Metallkomponenten festzustellen.

In diesem Fall erzeugt jedes der unterschiedlichen Metalle sein eigenes Peak-Signal. Bei der Darstellung der Fig. 7 beispielsweise wurden drei Teile durch das Detektorsystem ermittelt. Das Teil 1 erzeugt die Kurve 92, Teil 2 erzeugt die Kurve 94 und Teil 3 führt zur Kurve 96. Die resultierende Einhüllende führt zu einer einzigen Spur mit drei mehr oder weniger ausgeprägten Maxima, die der jeweiligen Peakfrequenz entsprechen und Amplitudenwerten für jedes Teil oder jede Metallkomponente. Es sei angenommen, daß jedes dieser Teile aus einem unterschiedlichen Metall bestehe und alle Teile verschiedene Querschnitte aufweisen. Das auf Änderungen in der Widerstandskomponente ansprechende Prüfsystem ist ausreichend empfindlich, um die Peaks für die verschiedenen Metallteile bei der Zuführung unterschiedlicher Frequenzwerte festzustellen.

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Die Fig. 8 zeigt als Beispiel ein für diese Art der Messung geeignetes Prüfsystem in Brückenschaltung. Die abgeglichene Brückenanordnung ist gegenüber dem System nach

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Fig. 1 zu bevorzugen, das sich rascher und leichter abgleichen läßt und weniger Störeinflüssen auf das Meßergebnis unterliegt. Der die Brücke speisende Signalfrequenzgenerator 98 ist an einem Ende der Prüfspule 100 und am entsprechenden Ende der Abgleichspule 102 angeschlossen. Die Spulen haben ähnliche Kennwerte. Ein Widerstand 104 bildet den anderen Zweig der Brücke, während ein veränderbarer Widerstand 106 , der im allgemeinen auf den Wert des Widerstands 104 angepaßt ist, den letzten Zweig der Brücke bildet. Der Phasendetektor 108 ist einerseits an den Verbindungspunkt zwischen den Spulen 100 und 102 und andererseits an den Verbindungspunkt zwischen den beiden Widerständen 104 und 106 angeschlossen. Die Anzeige des Phasendetektors unterstützt bei der Einstellung des veränderbaren Widerstands 1O6, um vor dem Einbringen des Testkörpers 110 den Abgleich der Brücke einzustellen. Wird der Testkörper 110 in das die Spule 1OO umgebende Feld eingebracht, so bringt der jetzt fließende Wirbelstrom die Brücke aus dem Gleichgewicht und der Phasendetektor ermittelt einen Wert der Widerstandskomponente, der auf das Signal der Spule 100 bezogen werden muß.

Die Fig. 9 zeigt eine andere Art einer phasenempfindlichen Prüfschaltungsanordnung, die sich als sehr zufriedenstellend erwiesen hat. Der Signalfrequenzgenerator 112 speist die beiden Enden der Eingangsspule 114. Die Sekundärspulen 116 und 118 mit gleichem Wert sind an ihren jeweils unteren Enden miteinander verbunden. Ein Festwiderstand 120 verbindet das obere Ende der Spule 118 mit einem veränderbaren Abgleichwiderstand 122, dessen anderer Anschluß mit dem oberen Ende der Spule 116 verbunden ist. Ein Phasendetektor 124 liegt zwischen dem Verbindungspunkt der Spulen 116, 118 und dem Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 120, 122.

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Der metallische Gegenstand 126 wird zwischen die Eingangsspule 1 1 4 und die unterteilte Sekundärspulenanordnung, bestehend aus den Spulen 116 und 118 eingebracht. Dieses Detektor sy stem zeigt eine maximale Empfindlichkeit und läßt sich leicht mittels des veränderbaren Widerstands 122 abgleichen.

Die tatsächliche Kennlinienspur oder "Handschrift" für einen komplexen Gegenstand _r beispielsweise eine Handfeuerwaffe, zeigen die Fig. 10 und 11. Fig. 10 zeigt die Kennlinie S für einen Revolver aus nichtrostendem Stahl vom Typ Smith and Wesson, Kaliber O_r38. Auf der Ordinate ist die Widerstandskomponente geteilt durch die Frequenz und auf der Abszisse sind die Frequenzwerte aufgetragen. Die Spur läßt einen hohen Peak bei 128 erkennen, die dem Magazin oder der Trommel des Revolvers entspricht sowie ein relatives Minimum bei 13O. um diese Kennlinie zu erhalten, ist es notwendig, einige dreißig unterschiedliche Frequenzen über den 10 OOO-Hertz-Bereich einzuspeisen. Für Zwecke einer automatischen Analyse, wie sie in Verbindung mit einer Kurvenanalyse Anwendung finden kann, wird zunächst eine gemittelte Hüllkurve gewonnen, wie sie durch die Kurvenlinie 132 angedeutet ist. Diese Kurvenlinie würde dann analysiert und gegen eine Reihe von vorgespeicherten "Handschriften" verglichen werden.

Fig. 11 zeigt die Kennlinie S für einen Revolver vom Typ Titan 0,25. Die "Handschrift" läßt eine hohe ausgeprägte Spitze bei 134 sowie weitere Peaks beil36 und 138 erken— nen. Beide Kennlinien unterscheiden sich deutlich und sehr stark. Die Peaks liegen bei unterschiedlichen Frequenzen und die charakteristischen Kennwerte bei unterschiedlichen Amplitudenpegeln. Mit prinzipiell bekannter Digital- oder anderer

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Vergleichstechnik ist es so möglich, diese beiden charakteristischen Kennlinien rasch voneinander zu unterscheiden. Die "Handschriften" für andere Waffen und Gegenstände anderer Art sind in gleicher Weise unterscheidbar wie bei den beiden dargestellten Beispielen.

Für ein Flughafen-Überprüfungssystem, für das gelten muß, daß die durch den Spulenbereich hindruchtretenden Individuen viele unterschiedlichste Arten von metallischen Gegenständen bei sich führen können, ist es ebensogut möglich, rasch das Vorhandensein und den Typ einer mitgeführten Waffe zu ermitteln. Die verschiedenen Gegenstände summieren sich zu einer Gesamthüllkurve des Prüfsignals; trotzdem bleibt die charakteristische Kennlinie einer Handfeuerwaffe immer noch gut und leicht zu unterscheiden. In den allermeisten Fällen ist das durch die Waffe erzeugte Signal das weitaus vorherrschende.

Die Fig. 12 zeigt das Blockschaltbild der Hardware-Baugruppen eines Waffenprüfsystems. Eine Vielfachfrequenzquelle 140, die den Signalfrequenzgeneratoren bei den Schalthildern nach den Fig. 1, 8 und 9 entspricht, liefert ein Signal an eine hier mit 142 bezeichnete abgeglichene Schaltung. Es ist ebenso möglich, ein abgeglichenes System zu verwenden, das eine Brücke mit einer Einzelspule enthält. Die Anordnung ist ähnlich wie bei jener von Fig. 8 mit der Ausnahme, daß anstelle der Spule. 102 bei Fig. 8 ein Widerstandselement verwendet wird, und das Widerstandselement T06 aus Fig. 8 enthält jetzt einen dazu parallel liegenden veränderbaren Kondensator.

Die Vielfachfrequenzquelle in Fig. 12 gibt außerdem eine Frequenz an einen Violfachfrequenzteiler oder -unter-

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setzer mit uberwachungseinheit 144. Der Frequenzbereich liegt von 100 bis 10 000 Hertz und läßt sich innerhalb dieses Bereichs auf beispielsweise etwa 30 unterschiedliche Frequenzen festsetzen. Dieser Frequenzbereich liegt der Darstellung der Fig. 11 zugrunde und ist für praktisch alle vorkommenden Situationen, für die das System bestimmt ist, mehr als ausreichend.

Der Vielfach-Phasendetektor 146 wird einerseits durch die Signale der Brücke gespeist und wild außerdem durch den Zeitgeber in der Steuereinheit 144 bestimmt. Das Ausgangssignal des Phasendetektors als auch das Ausgangssignal des Frequenzteilers und der Überwachungseinheit 144 gelangen auf einen Minicomputer 148. Typischerweise ist dies ein 16-Bit -Wort-Kleinrechner mit einem δΚ-Speicher. Als Interface zum Computer dient ein Analog/Digital-Wandler, über den die Signale des Phasendetektors in den Rechner gelangen. Die Kennwerte der Induktionsspulenelektronik bei leerer Spule als auch die Antwortgrößen für einen bekannten Widerstandsbereich werden im Speicher des Rechners gespeichert. Aus der Fig. 13 ist ersichtlich, daß die Kallibrierung der Spulenelektronik über durch Blocks 152 und 154 veranschaulichte Programmteile bewirkt wird, um richtige, auf eine 0 -Phasenkomponente bezogene Daten zu erhalten.

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Der elektronische Rechner ist in der Lage, einen Vergleich zwischen gespeicherten Kenndaten vieler Gegenstände und den eintreffenden in Digitalform umgesetzten Prüfsignalen vorzunehmen. Liegt eine Übereinstimmung zwischen den gespeicherten Signalen für eine Waffe oder einen anderen möglichen Gegenstand vor, der gesondert überprüft v/erden muß, so gibt der Rechner ein Signal an eine Melde- oder Alarmschaltung 150.

Anstelle der Anwendung vor. Analogtechnik im Bereich des Phasendetektors ist es möglich, ein ähnlich gutes oder besseres Ergebnis auf digitaler Ebene mit einer Fourier-Trans formationstechnik zu erzielen, um die 0°-Komponente für jede Frequenz zu bestimmen. Dies erfordert den Austausch der einzelnen Einheiten von analogen Phasendetektoren für jede Frequenz durch einen Breitbandverstärker bei der Baugruppe 146 ansteile der Phasendetektoreinheit. Dies in Verbindung mit einem genauen Zeitbasisgenerator als Taktgeber ermöglicht eine Fourier-Transformation. Die Daten werden in festen Zeitabständen überprüft und mittels Fourier-Trans format ions technik im Kleinrechner analysiert.

Fig. 13 verdeutlicht die grundlegenden logischen Schritte und Funktionen des Systems der Fig. 12 bei Verwendung des Phasendetektors. Zu Beginn muß durch das mit Block 152 veranschaulichte Programm die Brücke kalibriert werden, gefolgt von dem mit Block 154 angegebenen Programm zur Phaseneinteilung.

Die O°-Phasenwerte werden sodann,wie durch Block angegeben, gespeichert und liefern die Werte der Widerstandskomponenten für die O°-Phase bei Peak-Frequenzwerten.

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Block 158 verdeutlicht die Eingabe der kritischen Daten, die auf den Vergleichsblock 160 gelangen und dort mit den Eingangssignalen verglichen werden, die vom Peak-Sortierprogramm gem. Block 156 angeliefert werden. Der Vergleich erfolgt im Programmblock 160. Liegt eine Übereinstimmung der kritischen Prüfdaten und der "aktiven" Eingangsdaten vor, so wird ein Signal an den Alarmblock 162 abgegeben .

Die Fig. 14 zeigt das Detektorsystem in weiteren Einzelheiten:

Zur Erzeugung einer Standardfrequenz dient ein Kristalloszillator 164, der ein einstellbares Frequenzteiler-Netzwerk 166 speist. Dessen Ausgangssignal gelangt auf eine Frequenzteilerkette 168 mit drei Ausgängen. Das Signal vom ersten Ausgang gelangt auf eine Einstelleinheit 170 für die Teilerkette. Der zweite Ausgang ist an einen Rechteckwellen- oder Sprungsignaladdierer 172 angeschlossen und gelangt von dort auf eine Signalformschaltung 174 sowie auf eine Treiberschaltung 176 zur Erzeugung der notwendigen-Leistung. Der Ausgang des Treibers 176 speist die Prüfspulenbrücke 178, deren Ausgangssignal wiederum durch die Phasendetektorbaugruppe 180 erfaßt wird,

Für die Schaltkreise der Phasendetektorbaugruppe ist es möglich, standardisierte Analogschaltkreise zu verwenden, die sich leicht auf die Proben oder zu überprüfenden Gegenstände und entsprechende Zwischenspeicherschaltkreise anpassen lassen, um die notwendige Aufbereitung der Daten für den Rechner über eine Interface-Einheit zu ermöglichen.

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Als Frequenzteiler werden JK-Flip-Flops verwendet, die eine O°-Phasenlage und 90 -Bezugsrechteckwellen für in acht Oktaven übereinanderliegende Frequenzen gleichzeitig zur Verfügung stellen. Mit drei Originalfrequenzen, die aufeinanderfolgend durch den veränderbaren Teiler abgegeben werden, ist eine Prüfung in einem Bereich von etwa 70 Hertz bis 12,5 kHz mit 24 Frequenzwerten möglich.

Die Rechteckwellen gelangen direkt auf die Bezugskanäle der Phasendetektoren und die in Phase liegenden Komponenten werden analog addiert, um eine zusammengesetzte Rechteckwelle zu erhalten, die acht diskrete Frequenzen enthält. Diese Rechteckwelle wird in einer Signalformschaltung integriert, und es ergibt sich eine zusammengesetzte Dreieckwelle. Die Hochfrequenzen werden im Addierer vorverstärkt, um die Dreieckamplitude für alle Frequenzen auf den gleichen Wert anzuheben. Über Operations-Leistungsverstärker gelangt dieses Signal auf die Brücke und das Unsymmetriesignal wird verstärkt und hinsichtlich seiner Phasenlage abgetastet.

20

Ist eine feste Anzahl von Zyklen durchlaufen, so wird das Phasendetektorausgangssignal getastet und solang gespeichert, bis es vom elektronischen Rechner aufgerufen wird. Die Ausgangsfrequenz wird jetzt geändert und der Vorgang wiederholt sich. Ist der Prüfvorgang mit allen Frequenzen abgeschlossen, so beendet die Steuerung für die Teilerkette den Vorgang.

Im folgenden werden noch einige Hinweise auf die Betriebsweise des erfindungsgemäßen Systems gegeben:

Es wurde festgestellt, daß die Phasenbeziehungen bei

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der Messung der wahren Widerstandskomponente kritisch sind. Liegt der Meßbereich der Unsymmetriespannung im Bereich von 10 bis 100 μν und impliziert einen Gütefaktor in Größenordnung von 1:10 000, so müssen sämtliche Baugruppen der Anordnung äußerst betriebsstabil und genau sein, um eine Einstreuung von Phasenverschiebungen auszuschließen,, die es unmöglich machen würden, die 0 -Phasenbeziehung beizubehalten, die jedoch voraussetzungsgemäß erforderlich ist, um die wahre Widerstandskomponente der Impedanzänderung in der Meßspule zu ermitteln.

Die Spule selbst muß äußerst betriebsstabil sein und diese Stabilität muß mindestens in der Größenordnung von 10 liegen, vorzugsweise jedoch in der Größenordnung von 10 . Der Abstand zwischen benachbarten Windungen der Spule, die TemperatürStabilität des verwendeten Drahts und/oder Abschirmungen gegen Temperaturänderungen sowie Maßnahmen, die eine auch nur geringfügige Verschiebung der Windungen aufgrund von Vibrationen ausschließen,, sind wichtige Faktoren. Die Windungen in der Spule weisen vorzugsweise einen gegenseitigen.Abstand von 1 bis 2 cm auf, um die gegenseitige kapazitive Beeinflussung zu vermindern. Die Spule sollte so weit wie möglich von allen Fremdeffekten freigehalten werden.

Die Oszillatorschaltung selbst muß extrem stabil sein, um Phasenverwerfungen oder -verschiebungen aufgrund von Temperatureinflüssen, Vibration oder Instabilität der Bauelemente von vornherein auszuschließen. Die Phasenveränderungen des Ausgangssignals sollten bei weniger als 1/10 gehalten werden, wenn Fourier-Analysetechnik angewendet wird und dürfen maximal 1/2° betragen, wenn Phasendetektoren eingesetzt werden.

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Die Kennwerte der Oszillatorelemente dürfen nur geringen thermischen Abweichungen unterliegen, d.h., diese Kennwerte dürfen im Betriebszustand nur im Bereich von 1 Promille Abweichungen zeigen, um unakzeptable Schwankungen im Ausgangssignal auszuschließen. Ähnlich scharfe Anforderungen sind für die Brücke und die Meßelemente notwendig . *"

Von Bedeutung ist der Phasenwinkel für die Eingangsspule und alle Spannungsdaten müssen auf diesen bezogen sein. Phasenkorrekturen für die einzelnen Schaltungsgruppen sind erforderlich in Abhängigkeit, von welcher Seite der Eingangsspule aus der zu vermessende Körper in das Magnetfeld eingebracht wird.
15

Die einzelnen Systemspulen sollten soweit wie möglich identisch und gegen Temperaturänderungen abgeschirmt sein.

Die erläuterten Maßnahmen sind notwendig, um gleichbleibend reproduzierbare Ergebnisse insbesondere dann zu erzielen , wenn - was für viele der oben erwähnten Meßprobleme der Fall ist - häufig das Volumen des zu erfassenden Körpers in der Größenordnung eines oder weniger Kubikzentimeter ist, während das Spulenvolumen einen Kubikmeter oder mehr beträgt. 25

Es wurde gefunden, daß diese Anforderungen dann erfüllt werden können, wenn zunächst bestimmt wird, welcher Winkel maßgeblich ist und die notwendige Korrektur hinsichtlich dieses Winkels in bezug auf die anderen Baugruppen, etwa den Oszillator, vorgenommen wird. Die einfachste Weise, den Phasenwinkel der Eingangsspule zu bestimmen, besteht darin, einen Widerstand in Reihe zur Eingangsspule zu schalten und den Phasenwinkel des hindurchgehenden Signals zu messen.

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Dies ermöglicht die Bestimmung des Widerstandanteils im Ausgangssignal des Spulensystems, verursacht durch die Verschiebung aufgrund lediglich eines metallischen Gegenstands . Durch Verwendung des bekannten Widerstands in Reihe mit der Spule lassen sich die Korrekturdaten gewinnen. In diesem Fall lassen sich die Daten sowohl hinsichtlich der "Antwort" der Spule allein als auch hinsichtlich von Spule

T'

und Widerstand gewinnen. Diese Daten lassen sich dann in eine Korrekturgleichung einsetzen, bei der sowohl die Realals auch die Imaginärwerte der Spannung berücksichtigt werden. Diese Information läßt sich verhältnismäßig einfach mit einem elektrischen Rechner programmieren und die eintreffenden Daten lassen sich dann so verändern, daß eine einwandfreie Korrektur auf 0° Phasenverschiebung sichergestellt ist.

Die Einstellung der 0 -Phase kann dann entweder an den Meßelementen selbst, also in den Phasendetektorschaltkreisen vorgenommen werden, oder es kann eine Datenkorrektur 2Q durch eine entsprechende Änderung der Eingangsdaten mit Hilfe des Computersystems vorgenommen werden, um unter Anwendung der erwähnten Fourier-Analysetechnik die wahre Widerstandskomponente zu erhalten.

Die beschriebene Kalibrierungstechnik, die das Einsetzen eines bekannten "reinen", also Ohm¹sehen Widerstands in Reihe mit der Meßspule vorsieht, liefert die Kenntnis über den Anteil des in der Prüfspule auftretenden Unsymmetrie-Eingangssignals aufgrund des Einbringens eines metallischen Gegenstands.

Das Verfahren zur Bestimmung, vielcher Anteil des Unsymmetrie-Ausgangssignals dieser Widerstandsänderung ent-

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spricht, hängt selbstverständlich von der jeweils verwendeten Abgleichschaltung ab.

10

Wird für den Meßkreis eine Brückenanordnung verwendet, so sind - obgleich der Abgleich leicht zu erreichen ist verhältnismäßig viele zusätzliche Schaltkreiskomponenten zwischen der Prüfspule und dem Ausgangssignal erforderlich. Sodann muß eine Kompensation für diese zusätzlichen Schaltkreiselemente vorgesehen werden, um die durch diese Elemente eingebrachte Phasenverschiebung zu bestimmen. Die Kompensation muß entweder elektrisch oder durch einen Rechenvorgang im Anschluß an die Messung vorgenommen werden.

Sind die verschiedenen Phasenverschiebungen des Systems selbst einmal bekannt, ist es noch eine Sache der richtigen Korrektur der Phasenverschiebung, um die Werte der Widerstandskomponente jeweils auf die in der Eingangsspule vorhandene 0 -Phase zu beziehen. Wie erwähnt, soll die Korrektur so erfolgen, daß der Vektor der Widerstandskomponente innerhalb eines Grads der Widerstandskomponente der Impedanz des Spulensystems liegt.

Dieser Einstellvorgang auf 0 -Phase kann - wie erwähnt in der Anordnung selbst oder durch Kalibrierung der dem Meßvorgang zugrundeliegenden Daten erfolgen, um die notwendige Korrektur auf 0 -Phasenverschiebung sicherzustellen.

Es wurde gefunden, daß der Bezug auf das Oszillator-Ausgangssignal das bequemste Verfahren ist, um einen guten feststehenden Phasenbezug sicherzustellen. Eine Korrektur hinsichtlich der Verschiebung zwischen dem Oszillator und der Prüfspule muß vorgesehen werden, um die 0 -Phasenlinie zu erhalten. Ist dies sichergestellt, so kann der richtige

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' 1

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Bezug für die Phase des von der Schaltung gelieferten Ausgangssignals ggfs. mit einer Korrektur mit so hoher Genauigkeit erreicht werden, daß eine maximale Abweichung innerhalh eines Bereichs von einem Grad zur Phasenlage das Eingangs-. signals des Spulensystems sichergestellt ist.

Es sei besonders erwähnt, daß die Korrekturgleichungen _v sowohl die Real- als auch die Imaginärwerte der Spannung berücksichtigen. Diese Information läßt sich leicht in . einem Rechner programmieren und die eintreffenden Daten können normalerweise so modifiziert werden, daß eine Korrektur auf (^-Phasenverschiebung vorliegt.

Es wurde gefunden, daß der bei 0 -Phasenverschiebung erhaltene Wert innerhalb von + oder -5 % liegt. Jede um mehr als eine Toleranzgrenze von +_ 1 hinausgehende Abweichung führt zu einem beträchtlichen Verlust an Genauigkeit, so daß sich die Daten für ähnliche Proben oder Prüfkörper nicht genau reproduzierbar darstellen lassen. Dann läßt sich beispielsweise auch nicht die in Fig. 6 gezeigte geradlinige Abhängigkeit ausnutzen.

Für einen komplexen Gegenstand ist es unnötig, spezifische Peak-Frequenzwerte zu verwenden, da viele Peaks,jeweils einer, für die unterschiedlichen Matallkomponenten des überprüften Objekts auftreten. Durch die Auswahl von dreißig Frequenzen im Bereich von 100 bis 10 000 Hz wird ein typischer Bereich festgelegt, der dio für interessante Kenndaten erforderlichen Ergebnisse liefert, beispielsweise für Handfeuerwaffen und innerhalb dessen auch eine leichte und einwandfreie Identifizierung und Unterscheidung von Typen möglich ist. Um die in den Fig. 10 und 11 gezeigten Kennlinien zu erhalten, werden Frequenzwerte gewählt, die sowohl hinsichtlich des spezifischen Widerstands des zu

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2S3?

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untersachenden Metalls als auch des abgeschätzten Querschnittsbereichs charakteristisch sind.

Aus den charakteristxschen Kennlinien oder Spuren der bei"en Fig. 10 und 11 läßt sich eine große Übereinstimmung zwischen dem Prüfkörper und dem tatsächlichen Körper feststellen. Hinsichtlich der unterschiedlichen Arten von Gegenständen und Unterschieden im Design und der Zusammensetzung, insbesondere hinsichtlich der verschiedenen Typen von Handfeuerwaffen kann festgestellt werden, daß die Kennlinien sich sehr charakteristisch unterscheiden, und zwar vor allem im Querschnittsbereich und dem spezifischen Widerstand der einseinen Komponenten, aus denen in dieser Hinsicht interessante Artikel hergestellt sind.

Zur Identifikation können im Rechner im Prinzip beliebig große Mengen von Kenndaten bekannter zu überprüfender Objekte gespeichert werden. Bei der Abtastung eines unbekannten Objekts wird dann das eintreffende Signal auf 0 -Phasenabweichung zum Signal im Eingangsspulensystem korreliert. Sodann werden die Daten des Eingangssignals für das in der Eingangs- oder Sendespule enthaltene Objekt mit den gespeicherten Kenndaten verglichen, um auf Übereinstimmung überprüft zu werden.

Beim Meßvorgang wird der Gegenstand beispielsweise unmittelbar in das Innere der Prüfspule eingebracht. Wie erwähnt, änäarn sich die Werte der reziproken Frequenz stark in Abhängigkeit von der Querschnittsfläche des jeweils untersuchten Objekts. Dies darf nicht mit den Änderungen in ie:: 0uerschnittsg3ometrie verv/echselt werden, die ebenf£.Ilt- einen Einfluß haben, jedoch nicht den

üeorgetown üni TER MEER ■ MÜLLER ■ STEn-KJ^lSTER TT- äO ι -GER

charakteristischen Einfluß, de?; sich aus den Änderungen der spezifischen Widerstandswerce und d.er Querschnittsflächen der einzelnen Proben ergeben. Die Verhältnisse

Ti- fl

lassen sica aus der Beziehung :t., = -4¹— ersehen. Um aus

den Fig. 10 und 11 die charakteristischen Merkmale herauszulesen, werden jene Frequenzwerte gewählt, die sowohl hinsichtlich des spezifischen riderstands des aufzuspürenden Metalls als auch hinsichtlich der geschätzten Widerstandsfläche relevant sind.

10

Die Spulenanordnung und Geometrie sind ebenfalls als wichtige Größen zu erwähnen, da die characteristischen Kenngrößen durch sie beeinflußt werden. In diesem Susarmenhang sei auf die Terme W und B„ in Fig» 6 hingewiesen ο Diese physikalischen Größen ermöglichen einige Anhaltspunkte für die Auslegung der Spule als ein wesentlicher Faktor für das ansprechverhalte:! des Systems.

Der den auf der Ordinate in der graphischen Darstellung der Fig. 6 aufgetragenen Variablen zukommende Ausdruck entspricht folgender Beziehung:

^fP

- D-v^i

25

worin mit

N die Windungsanzahl der Spule,

2 B die magnetische Induktion (in Weber/m )?

£ der spezifische Widerstand des untersuchten Metalls (in Λίη ) ;

V-o die Permeabilität des freien Raums (4ψ·& 10 in MKS-Einheiten);

0 3 Ö 0 1 ο / 0 3 i S

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10

K(a²/b²)

eine dimensionslose Größe, die durch

2 2

das Verhältnis a /b von der Körpergeometrie abhängt, mit

die in Phase liegende Komponente des abgetasteten Signals, z.B. in Volt (vgl. Fig. 2) und mit
die Peak-Frequenz (Hz)

bezeichnet sind.

Der Ausdruck £J[N B )

32

T²

e_

μο

K(a²/b²j7

bezeichnet die

Neigung der geraden Linien in Fig. 4. Bemerkenswert ist, daß keine Abhängigkeit vom Probenquerschnitt gegeben ist,

Hinsichtlich der konstanten Terme in der Gleichung ergibt sich für a²/b² = 1, 2, 3, 4

K(a²/b²) = l_t248 bzw. 1,334 bzw. 1,475 bzw. 1,6Q7.

^De^ Durchmesser der Spulen- selbst kann in einem weiten Bereich schwanken, beispielsweise von ca. 15 cm bis ca, T80 cm. Die Eingangs- und die Prüfspule werden im allgemeinen konzentrisch und auf Abstand voneinander angeordnet mit einem Isolationsmaterial, wie Fiberglas zwischen den Spulen. Die Spulen werden gegen Änderungen der Raumtemperatur durch eine Isolation geschützt, da - wie erwähnt - sonst Änderungen im Ausgangssignal zu erwarten
sind. Als weitere Kompensationsmaßnahme hat sich als
vorteilhaft und wirksam die Verwendung von speziellen

Legierungen thermisch stabiler Metalle für die Leiter

anstelle von Kupfer erwiesen, um die ttiermischen Einflüsse zu vermindern. Die Spulenanordnung mit ca. 180 cm oder
etwas größer eignet sich für Zwecke der Sicherheitsüberprüfung an Flughafen. Die einzelnen zu überprüfenden

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Passagiere gehen durch die Spule hindurch und werden dabei insbesondere auf das Mitführen von Waffen automatisch abgetastet.

Im Rahmen der hier gegebenen Erläuterung sind die Beziehungen zwischen dem spezifischen Widerstand, der Probenfläche, der Peak-Frequenz und der durch die Frequenz geteilten Widers tandskoniponen he als Einheitswerte, also normiert auf die Kurvenpeaks angegeben. Insbesondere die Beziehung zwischen dem spezifischen Widerstand und der Querschnittsfläche kann jedoch vergleichsweise komplex sein. Unabhängig davon ist es jedoch für den erläuterten Anwendungszweck lediglich erforderlich, eine Charakteristische "Handschrift" von den zu untersuchenden oder zu suchenden Gegenständen zu erhalten. Nachlaufeffekte, Schatteneffekte, Einflüsse der Geometrie und magnetische Effekte führen zu keinen Problemen, da die charakteristischen Kennwerte - wie Versuche gezeigt haben - für das gleiche Objekt genau gleich ausfallen.

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e e

r s e ite

Claims

TER MEER - MÜLLER - STEINMEISTER

D-8000 München 22 D-480G Bielefeld

Triftstraßs 4 Siekerwali 7

TT-101-GER 25. August 1978

Mü/vL/ei

GEORGETOWN UNIVERSITY 37th & O Streets, NW. Washington D.C. 20057 U. S. A.

Verfahren und Systemanordnung zur Identifizierung von leitfähigen Gegenständen

PATENTANSPRÜCHE

TJ Systemanordnung zur Identifizierung von leitfähigen Gegenständen, gekennzeichnet durch

a) eine sehr stabile Spulenanordnung (14, 16, 100, 104, 114, 116, 118; 142; 178), die ein den Gegenstand (20; 110; 126) durchsetzendes magnetisches Feld erzeugt und eine Eingangsspule (14, 116) umfaßt, die relativ frei von Fremdeinflüssen ist;

b) einen Frequenzgenerator (12; 98; 112; 140; 164), der die Eingangsspule mit einer Mehrzahl von auswählbaren periodischen Frequenzen speist und extrem geringe Abweichungen von den vorgebbaren Frequenzwerten aufweist und

c) eine Einrichtung (148) zur Ermittlung der wahren Wider-

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standskomponente der aufgrund der Einführung des
leitenden Gegenstands in das Magnetfeld der Spule bewirkten Impedanzänderung für jede Frequenz.

2. Systemanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung zur Ermittlung der wahren Widerstandskomponente eine Spannung liefert, die innerhalb des Bereichs von 1 Grad in vollständiger Phasenübereinstimmung mit einem der Eingangsspule zugeführten Frequenzsignal liegt.

3. Systemanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch

gekennzeichnet , daß die Spulensystem-

-4

werte auf einer Genauigkeit von mindestens 10 gehalten sind.

4. Systemanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das Spulensystem zwei sehr genau aufeinander angepaßte
Spulen (14, 16; 100, 102; 116, 118 u. 114) enthält, von denen eine die Eingangsspule ist.

5. Systemanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche;
dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen der Spulen des Spulensystems zur Verminderung der inneren Wicklungskapazitätseffekte vorzugsweise zwischen 1 und 2 cm voneinander entfernt sind.

6. Spulensystem nach einem der vorstehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch sehr geringe
Abweichungen der Kennwerte der Spulen aufgrund von Änderungen der Umgebungstemperatur.

7. Systemanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale des Frequenzgenerators Phasenabweichungen von weniger als 1/2 Grad gegen einen Bezugswert aufweisen.

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8. Systemanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Ermittlung der wahren Widerstandskomponente bestimmte Einrichtung einen Phasendetektor (18; 108; 124; 146; 180) enthält, der vorzugsweise parallel zum Spulensystem geschaltet ist und auf dieses so bezogen ist, daß das von ihm gelieferte Signal weitgehend exakt in Phase mit jedem der Eingangsspule zugeführten periodischen Signal liegt.

9. Systemanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Ermittlung der wahren Widerstandskomponente einen elektronischen Rechner (148) aufweist, der auf der Grundlage einer Fourier-Analyse die Werte der wahren Widerstandskomponente ermittelt:

10. Systemanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Division der für eine bestimmte, der Eingangsspule zugeführten gewählten Frequenz ermittelten wahren Widerstandskomponente durch den zugeordneten Frequenzwert.

T1. Systemanordnung nach Anspruch 10, gekennzei c h net durch

- einen Speicher zur Speicherung der durch Division durch die zugeordneten Frequenzwerte erhaltenen Widerstandskomponente und

- eine Vergleichseinrichtung, die eine anschließend von einem zweiten in das Magnetfeld des Spulensystems eingesetzten Objekt erhaltene und durch die entsprechenden Frequenzwerte geteilte Widerstandskomponente gegen die Speicherwerte vergleicht.

12. Systemanordnung nach Ansrpuch 1, 2 oder 3, d a d u r ch gekennzeichnet , daß das Spulensystem eine Sekundärspule aufweist und daß sowohl die Eingangs- als auch die Sekundärspule auf einer gemeinsamen Zentralachse angeordnete Hohlspulen sind, deren Wicklungen voneinander getrennt, jedoch einander benachbart liegen.

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13. Systemanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Spulensystem eine zur Eingangsspule identische angepaßte Spule aufweist, die dazu in Reihe in einer abgeglichenen Brückenschaltung liegt.

14. Spulenanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet , daß - die beiden aufeinander angepaßten Spulen parallel zu den beiden Ausgangsanschlüssen des Frequenzgenerators geschaltet sind,

- zwei in Reihe liegende Impedanzen ebenfalls parallel zu den Ausgängen des Frequenzgenerators angeschlossen sind,

- eine der Impedanzen zum Abgleich der Brücke variabel ist und

- der Phasendetektor über der Brücke am Verbindungspunkt der beiden Spulen einerseits und am Verbin- dungspunkt der beiden Impedanzen andererseits an

geschlossen ist.

15. Systemanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß - die Eingangsspule eine parallele, zu den beiden Ausgängen des Frequenzgenerators angeschlossene Hohlspule ist,

- das Spulensystem eine der Eingangsspule benachbarte Sekundärspulenanordnung von zwei axial zueinander ausgerichteten identischen angepaßten

Hohlspulen umfaßt, die in entgegengesetzter Richtung angeschlossen sind,

- mindestens ein veränderbarer Abgleichswiderstand im Kreis der Sekundärspulen liegt und

- der Phasendetektor zur Messung der wahren Widerstandskomponente zwischen den beiden angepaßten Spulen des sekundären Spulensystems angeschlossen ist.

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16. Systemanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Ermittlung der wahren Widerstandskomponente eine Baugruppe zur 0°-Korrektur der Phasenverschiebung gegenüber der Phase des dem Spulensystem zugeführten Signals aufweist.

17. Systemanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzgenerator zur Identifizierung von metallischen Objekten auf Signalfrequenzen in einem Bereich von etwa 100 bis etwa 10 000 Hertz einstellbar ist.

15

18. Systemanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzgenerator zur Erfassung von nichtmetallischen leitenden Objekten auf Signalfrequenzen in einem . Bereich von etwa 1 bis 10 Megahertz einstellbar ist.

19. Systemanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzgenerator einen Kristalloszillator und einen veränderbaren Frequenzteiler enthält und daß die Einrichtung zur Ermittlung der wahren Widerstandskomponente eine Mehrzahl von Phasendetektoren aufweist.

20. Systemanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, d adurch gekennzeichnet, daß

- das Spulensystem als abgeglichene Brücke angeordnet ist,

- ein elektronischer Rechner mit der Einrichtung zur Ermittlung der wahren Widerstandskomponente verbunden ist und die Werte der wahren Widerstands

komponente für sukzessive aufeinanderfolgende Frequenzen vergleicht und

- mit dem Ausgang des Rechners eine Meldeeinrichtungi/^J verbunden ist.

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Georgetown-Univers ity T¹P--1 Cl-GER TER MEER · MÜLLER · STEINMEISTER

-S-

21. Verfahren zur Identifizierung von Objekten mit leitenden Eigenschaften, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

a) Erzeugung einer Mehrzahl von Signalfrequenzen, deren Änderungen bzw. Abweichungen weniger als

1/2 Grad betragen;

b) Zuführung der Signalfrequenzen zur Eingangsspule eines abgeglichenen hochstabilen Spulensystems;

c) Einführung eines Objekts mit leitenden Eigenschaften in das Feld des Spulensystems;

d) Ermittlung der wahren Widerstandskomponente des auftretenden Wirbelstromverlusts innerhalb eines Bereichs von 1 Grad zur vollständige. Phasenüber

einstimmung mit der die Eingangsspule beaufschlagenden Signalfrequenz;

e) Division der Widerstandskomponente durch die der Eingangsspule zugeführte Frequenz und

f) Benutzung der ermittelten Werte als Funktion der Frequenz zur Festlegung eines Satzes von für das Objekt maßgeblichen Daten.

22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch g e -

kennzeichnet, daß das Spulensystem abgeglichen wird, um für die aufgrund von Wirbelstromverlusten ermittelbaren wahren Widerstandskomponente maximale Empfindlichkeit zu erzielen.

23. Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

- Speicherung einer Mehrzahl von charakteristischen Datengruppen zu Vergleichszwecken und

- Vergleich der Datengruppen gegen Daten, die von einem unbekannten Objekt gewonnen werden.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß zur Festlegung von Bezugsdatenwerten ein spezifischer gleichför-

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TT--101-GER TER MEER · MÜLLER · STEINMEISTER

miger metallischer Probekörper mit festgelegten Querschnittsabmessungen in das Feld des Spulensystems eingeführt wird.

25. Verfahren zur Ermittlung von charakteristischen Kennwerten eines Objekts mit leitenden Eigenschaften durch induktive Messung, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte

a) Einspeisung einer Mehrzahl von periodischen Signalfrequenzen in eine hochstabile Spulenanordnung eines Identifizierungssystems für metallische Körper;

b) Abgleich des Spulensystems nach Zuführung der Signalfrequenzen;

c) Einbringen eines metallischen Probekörpers mit bekannten Querschnittsabmessungen und gleichförmiger Zusammensetzung in das Feld des Spulensystems; .

d) Ermittlung der Widerstandskomponente einer den

Abgleich der Spulenanordnung verschiebenden Meßspannung aufgrund des metallischen Objekts und Kompensierung der Phasenverschiebung in bezug auf die Phase der Eingangsfrequenz, so daß der Wert der Widerstandskomponente auf 0°-Phasen-Verschie

bung bezogen ist;

d) Teilung der Werte der Widerstandskomponente durch die entsprechenden Frequenzen und

f) Aufzeichnung dieser Werte als Funktion der Frequenz zur Ermittlung eines Spitzenwerts bei einer Frequenz, bei der der spezifische Widerstand der Metallprobe,geteilt durch deren Querschnitt^ proportional ist zur Widerstandskomponente der Verschiebespannung geteilt durch die entsprechende Frequenz.

26. Verfahren zur Ermittlung von charakteristischen Kennwerten eines Objekts mit leitenden Eigenschaften durch induktive Messung, gekennzeichnet

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durch folgende Verfahrensschritte

a) Einspeisung einer Mehrzahl von periodischen Signalfrequenzen in eine hochstabile Spulenanordnung

eines Identifizierungssystems für metallische Körper;

b) Abgleichen der Spulenanordnung hinsichtlich Phase und Amplitude;

c) Einbringen einer Mehrzahl von gleichartigen metallischen Spulenkörpern mit unterschiedlichem Querschnitt in das Feld der Spulenanordnung;

d) Messen der wahren Widerstandskomponente einer aufgrund der metallischen Objekte auftretenden Störspannung an der abgeglichenen Spulenanord

nung und

e) Kompensation der Phasenverschiebung im System in bezug auf die Phase der in das Spulensystem eingespeisten Signalfrequenz derart, daß die Wider-Standskomponente bei O°-Phasen-Abweichung ermit

telt wird.

27. Systemanordnung und Verfahren nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die an das Deutsche Patentamt gerichtete Bitte der Anmelderin, unabhängig von einem evtl. ermittelten Stand der Technik ein Patent auf alles zu erteilen, was die Anmelderin im Zusammenhang mit der vorliegenden Beschreibung und den Zeichnungen für wesentlich hält.

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