DE3228447C2

DE3228447C2 - Meßverfahren zur Erkennung von metallischen Gegenständen und Metalldetektor zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE3228447C2
Application number: DE19823228447
Authority: DE
Inventors: Gerd 7410 Reutlingen Aichele; Gerhard Dipl.-Ing.(FH) 7412 Eningen Vallon
Original assignee: Vallon GmbH
Current assignee: Vallon GmbH
Priority date: 1982-07-30
Filing date: 1982-07-30
Publication date: 1986-04-10
Also published as: DE3228447A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Meßverfahren und einen Metalldetektor zur Erkennung von metallischen Gegenständen, bei dem erfindungsgemäß das zur Messung verwendete Magnetfeld ein magnetisches Wechselfeld ist, das in einem auf die Frequenz dieses Wechselfeldes abgestimmten Schwingkreis empfangen wird. Wird das gesendete Meßsignal durch metallische Gegenstände beeinflußt, so erhält man beim empfangenen Meßsignal eine Phasenverschiebung gegenüber dem gesendeten Meßsignal, die in einer Schaltungsanordnung gemessen wird. In Abhängigkeit von der gemessenen Phasenverschiebung erfolgt eine das jeweilige Metall kennzeichnende Anzeige. Auf diese Weise kann ganz gezielt ein bestimmtes Metall oder eine bestimmte Gruppe von Metallen von anderen Metallen unterschieden und erkannt werden.

Description

genügt, wobei π eine ganze, ungerade Zahl, vorzugsweise gleich 3 ist.

8. Metalldetektor nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastzeitpunkte mehrere Meßsignalperioden (Uf_r) später auftreten als der das Meßsigncl auslösende Erregerimpuls.

Die Erfindung betrifft ein Meßverfahren zur Erken-

nu :g und Unterscheidung von Gegenständen unterschiedlicher Metallarten gemäß Oberbegriff des Hauptanspruchs und einen Metalldetektor zur Durchführung des Verfahrens.

Metalldetektoren werden für sehr unterschiedliche Anwendungsbereiche eingesetzt. Im Sicherheitsbereich werden diese Geräte beispielsweise zur Passagierkontrolle in Flughafen oder zur Besucherkontrolle in Kernkraftwerken eingesetzt. In der Industrie können Metalldetektoren zur Erkennung von Metallteilen in zu verarbeitenden Stoffen oder Mineralien verwendet werden. Auch Diebstahlsicherung ist mit derartigen Geräten möglich.

Die bekannten Metalldetektoren sind so ausgebildet, daß das von einem Sender abgestrahlte Magnetfeld einer Erkennungseinrichtung zugeführt wird, die feststellt, ob das abgestrahlte Magnetfeld durch vorhandene Metallteile beeinflußt ist. Bei einer Abweichung vom Sollwert wird eine das Vorhandensein eines metallischen Gegenstandes angebende Anzeige ausgelöst. Die

bekannten Geräte haben jedoch den Nachteil, daß eine Unterscheidung zwischen den verschiedenen Metallarten nicht möglich ist. Für eine Vielzahl von Anwendungsbereichen sollte aber gerade die Möglichkeit bestehen, bestimmte Metalle gezielt erke -nen zu können.

Aus der DE-OS 28 37 265 ist ein Verfahren und eine Anordnung zur Identifizierung von leitfähigen Gegenständen bekannt, wobei die Widerstandskomponente aufgrund der Einführung eines leitenden Gegenstandes in das Magnetfeld einer Spule für unterschiedliche Fre-

quenzen ermittelt wird. Zur Messung wird dabei die Bestimmung eines Schwingkreises ausgenutzt, die durch das Einbringen eines metallischen Körpers hervorgerufen wird. Die Meßergebnisse sind dabei jedoch stark von der Größe des metallischen Gegenstandes abhän· gig. weshalb eine exakte Unterscheidung zwischen unterschiedlichen Metallarten nicht eindeutig möglich ist.

Fs sind außerdem weitere Meßverfahren und Schaltungsanordnungen bekannt, denen die Anwendung des Impuls-Wirbelstromverfahrens zugrunde liegt. Mit dic-

scm Verfahren kann eine zerstörungsfreie Prüfung von metallischen Gegenständen vorgenommen werden, jedoch sind diese Verfahren zur Bestimmung unterschiedlicher Metallarten nicht geeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein MeU-

bo verfahren und einen Metalldetektor anzugeben, damit bestimmte Metalle von anderen Metallen unterschieden und erkannt werden können.

Die Lösung dieser Aufgabe wird bei dem Meßverfahren der eingangs genannten Gattung durch die im

Hauptanspruch angegebenen kennzeichnenden Merkmaleerhalten.

Da jedes Metall eine charakteristische Phasenverschiebung im empfangenen Wechselfeld bewirkt, kann

durch die Messung dieser Phasenverschiebung auf die Metallart geschlossen werden. Es ist aber auch möglich, die Auswertung der gemessenen Phasenverschiebungen so vorzunehmen, daß ein bestimmter vorgegebener Bereich unterschiedlicher Phasenverschiebungen zu einer einzigen Anzeige gebracht wird. Auf diese Weise kann eine Gruppe von unterschiedlichen Metallen von anderen Metallen unterschieden werden. Um eine optimale Anpassung an den jeweiligen Anwendungsbereich zu erhalten, kann der genannte Bereich in seiner Breite eingestellt werden, so daß eine gewünschte Anzahl von Metallarten in diesen Bereich fällt und mittels des Meßverfahrens erkannt werden kann. Das empfangene, beeinflußte Wechselfeld kann synchron zum abgestrahlten Wechselfeld abgetastet werden, wobei aus den erhaltenen Abtastwerten die Phasenverschiebung berechnet wird. Diese Berechnung kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß aus der Amplitude zweier um eine Viertelperiode des abgestrahlten Meßsignals versetzte Abtastwerte in an sich bekannter Weise die Phasenverschiebung zwischen gesendetem und empfangenem Meßsignai berechnet wird.

Um eine besonders hohe Empfindlichkeil für das Meßverfahren zu erhalten, kann das empfangene Wechsclfcld hinsichtlich der durch die Umgebung hervorgerufenen konstanten Feldbeeinflussung so nachgeregelt werden, daß die entsprechenden konstanten Abweichungen von Amplitude und Phase auf Null gebracht werden. Durch diesen Nullabgleich lassen sich die in die Meßzonen gebrachten metallischen Gegenstände !eichtor erkennen.

Ein erfindungsgemäßer Metalldetektor ist im Patentanspruch 3 gekennzeichnet. Dieser Metalldetektor hat sowohl im Sender als auch im Empfänger jeweils einen Schwingkreis, die aufeinander in ihrer Resonanzfrequenz abgestimmt sind. Der Sendeschwingkreis kann durch kurze Impulse zum Schwingen angeregt werden. Die Impulsrate für diese Impulse kann mit der Netzfrequenz synchronisiert sein, also beispielsweise 50 Hz betragen, wobei die Eigenfrequenz des Schwingkreises vorzugsweise im Bereich zwischen /_r = 2kHz und Γ = i0kHz liegt. Mit einem dem Empfänger nachgeschütteten Bandpaß lassen sich unerwünscht Störungen, die außerhalb der Arbeitsfrequenz liegen, eliminieren. In den gegensinnigen Spulen, die jeweils gleich groß sind, werden bei Vorliegen eines symmetrischen Magnetfeldes Spannungen gleicher Große induziert, die einander entgegengerichtet sind. Wird nun ein metallischer Gegenstand von einer Seite in das Magnetfeld gebracht, so bedeutet dies eine unsymmetrische Veränderung des Magnetfeldes, die vom Empfänger verstärkt zu einer Schaltungsanordnung zur Auswertung übertragen wird.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor. daß das empfangene Meßsignal einer Abtast-Lind Halteeinrichtung zugeführt ist. die das Meßsignal zu zwei verschiedenen Abtastzeitpunkten synchron mit der .Sendefrequenz abtastet und die Abtastwerte zwischenspeicher!; daß die Abtastwerte über einen Analog-Digital-Wandler einer zemralen Steuereinheit züge- bo führt sind, die aus diesen Werten die Phasenverschiebung zwischen gesendetem und empfangenem Wechselfeld berechnet: und daß die Steuereinheit mit einer Anzeigeeinrichtung verbunden ist, die die berechnete Phasenverschiebung oder den Bereich, in dem die Phasenverschiebung lie^t, anzeigt. Die Berechnung der Phasenverschiebung erfolgt dabei vorzugsweise in digitaler Form in einem Mikroprozessor, der aus den abgetasteten Amplitudenwerten in an sich bekannter Weise die Phasenverschiebung berechnet. Der Mikroprozessor kann gleichzeitig zur Steuerung des gesamten Meßverfahrens verwendet werden.

Eine Weiterbildung sieht vor, daß der Ausgang des Empfängers mit dem Ausgang einer Abgleicheinrichtung verbunden ist, die die von der Steuereinheit gesteuerte Phase und Amplitude des empfangenen Meßsignals mit einer großen Zeitkonstante auf Null abgleicht. Auf diese V/eise wird eine digitale Regelschleife gebildet, mit der konstante oder sich nur langsam ändernde Einflüsse auf die Meßeinrichtung ausgeglichen werden können. Bei jeder gemessener. Phasenverschiebung gibt die Steuereinheit an die Abgleicheinrichtung ein Steuersignal ab, so daß von der Abgleicheinrichtung in kleinen Schritten ein der gemessenen Phasenverschiebung entgegenwirkender Nullabgleich erfolgt.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Das dargeste¹!.: Blockschaltbild zeigt eine Ausführungsform des Metalldetektor:, der im wesentlichen aus einem Sender 1. einem Empfänger 2 und einer Schaltungsanordnung 3 zur Auswertung des empfangenen Meßsignals besteht.

Im Sender 1 befindet sich ein Verstärker 4. der ausgangsseitig einen Schwingkreis 5, bestehend aus einem Kondensator CI und einer Spule L\ mittels kurzer Impulse zum Schwingen anregt. Der Verstärker 4 wird zu diesem Zweck eingangsseitig von einer zentralen Steuereinheit 6 mit Impulsen angesteuert.

Das von der Spule L 1 erzeugte magnetische Wechselfeld wirkt auf den im Empfänger 2 angeordneten Schwingkreis 7. der in seiner Frequenz auf die Frequenz des Schwingkreises 5 abgestimmt ist. Der Schwingkreis 7 hat zwei in Serie geschaltete gegensinnige Spulen L 2 und L 3 und einen Kondensator CI Die Summe der in den Spulen L 2 und L 3 induzierten Spannungen wird in einem nachgeschalteten Verstärker 8 verstärk¹, und über einen Bandpaß 9 einer Abtast- und Halteeinrichtung 10 zugeführt. Diese Einrichtung 10 besteht aus zwei Tastern 11 und 12 und den ihnen jeweils nachgeschalteten Kondensatoren C3 und C4, die zur Speicherung der abgetasteten Spannungswerte dienen. Die Taster 11 und 12 werden über eine Steuerleitung Sl von der zentralen Steuereinheit 6 nacheinander betätigt. Die Abtastung erfolgt dabei s\nchron mit der durch den Schwingkreis 5 bestimmten Sendefrequenz, wobei beispielweise der Taster 11 um eine Dreiviertelperiode vor dem Taster 12 betätigt werden kann. Es wird angemerkt, daß die Einrichtung 10 üblicherweise als elektronische Abtast- und Halteschaltung ausgebildet ist.

Der Einrichtung 10 ist ausgangsseitig ein Digital-Ana-Io^-W;.ndler 13 nachgeschaltet, der die in den Kondensatoren C3 und C4 gespeicherten analogen Spannungswerte in digit lic Werte übersetzt und der Steuereinheit 6 zuführt. Auch der Digital-Analog-Wandler 13 wird von der Steuereinheit derart über eine Stcuerlcitung S2 gesteuert, daß die an seinen beiden Eingängen anliegenden Signal nacheinander in digitaler Form zur Steuereinheit 6 übertragen werden.

Aus den der Steuereinheit 6 zugeführten digitalen Meßwerten wird in der Steuereinheit % die Phasenverschiebung des empfangenen Meßsignals berechnet. Ein d^le Phasenverschiebung kennzeichnendes Signal wird dann von der Steuereinheit 6 an eine Anzeigeeinrichtung 14 abgegeben. Die Steuereinheit 6 kann auch ein einen Bereich der Phasenverschiebung kennzeichnen-

des Signal an die Anzeigeeinrichtung 14 abgeben, wenn die gemessene Phasenverschiebung in diesen vorgegebenen Bereich fällt. Die Steuereinheit 6 ist also vorzugsweise auf verschiedene Bereiche einstellbar. Zu diesem Zweck kann eine Eingabeeinheit 15 vorgesehen sein. mit der die zu erkennenden Phasenverschiebungen oder Bereiche von Phasenverschiebungen eingegeben werden können.

Ein weiterer Steuereingang 53 führt von der Steuereinheit 6 zu einer Abgleicheinrichtung 16, die ausgangsseitig mit dem Ausgang des Verstärkers 8 verbunden ist. Die Abgleicheinrichtung 16 beeinflußt das vom Verstarker 8 abgegebene Signal in der Weise, daß dieses Signal mit einer großen Zeitkonstanten hinsichtlich Amplitude und Phasenverschiebung auf Null geregelt wird. Zu diesem Zweck gibt die Steuereinheit 6 ein vom gemessenen Signal abhängiges Steuersignal über die Steuerleitung S 3 an die Abzieheinrichtung 16 ab, die dann den Nullabgleich vornimmt. Selbstverständlich erfolgt dieser Nullabgleich mit einer so großen Zeitkonstanten, daß nur konstante oder sich über lange Zeit langsam ändernde Einflüsse auf das Wechselfeld ausgeglichen werden. Die durch die Meßzone in der angegebenen Pfeilrichtung b bewegten metallischen Gegenstände beeinflussen das magnetische Feld während so kurzer Zeiten, daß diesbezüglich kein Nullabgleich durch die Abgleicheinrichtung 16 erfolgt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Meßverfahren zur Erkennung und Unterscheidung von Gegenständen unterschiedlicher Metallarten, bei dem ein elektromagnetisches Wechselfeld abgestrahlt wird, welches durch vorhandene metallische Gegenstände beeinflußt, in einem Empfänger abgetastet und hinsichtlich der dadurch in einem empfangenen Wechselfeld hervorgerufenen Änderungen ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Wechselfeld durch Impulse angeregt und als freischwingendes Signal abgestrahlt wird und daß aus den Abtastwerten die materialabhängigen Phasenverschiebungen zwischen gesendetem und empfangenem Wechselfeld festgestellt und zur Anzeige gebracht werden.

2. Meßverfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß das empfangene Wechselfeld hinsichtlich der durch die Umgebung hervorgerufenen konstanten Feidbeeinfiussung so nachgeregelt wird, daß die entsprechenden konstanten Abweichungen von Amplitude und Phase mit einer großen Zeitkonstanten auf Null gebracht werden.

3. Metalldetektor mit einem ein elektromagnetisches Wechselfeld abstrahlenden Sender und einem im Abstand von diesem angeordneten Empfänger, der ein dem empfangenen Wechselfeld entsprechendes Meßsignal an eine Schaltungsanordnung weitergibt, die das Meßsignal auswertet und bei Vorhandensein einer .' leßsignalabweichung eine Anzeigeeinrichtung betätigt, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der im Sender (1) befindliche Schwingkreis (5) von kurzen Impulsen zum Schwingen angeregt ist, wobei die Irnpulsrate (f_p) wesentlich kleiner ist a!s die Eigenfrequenz des Schwingkreises (5).

4. Metalldetektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsrate Z^-P=SOHz und die Eigenfrequenz des Schwingkreises (5) vorzugsweise im Bereich zwischen f_r=2 kHz und f,-= 10 kHz liegt.

5. Metalldetektor nach Anspruch 4. dadurch gekennzeichnet, daß das empfangene Meßsignal einer Abtast- und Halteeinrichtung (10) zugeführt ist, die das Meßsignal zu zwei verschiedenen Abtastzeitpunkten synchron mit der Sendefrequenz abtastet und die Abtastwerte zwischenspeichert: daß die Abtastwerte über einen Analog-Digital-Wandler (13) einer zentralen Steuereinheit (6) zugeführt sind, die aus diesen Werten die Phasenverschiebung zwischen gesendetem und empfangenem Wechselfeld berechnet: und daß die Steuereinheit (6) mit einer Anzeigeeinrichtung (14) verbunden ist, die die berechnete Phasenverschiebung oder den Bereich, in dem die Phasenverschiebung liegt, anzeigt.

6. Metalldetektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Empfängers (2) mit dem Ausgang einer Abgleicheinrichtung (16) verbunden ist, die die von der Steuereinheit (6) gesteuerte Phase und Amplitude des empfangenen Meßsignals mit einer großen Zeitkonstante auf Null abgleicht.

7. Metalldetektor nach einem der Ansprüche oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden zusammengehörenden Abtastzeitpunkte um eine Zeit ι gegeneinander zeitlich verschoben sind, die der Gleichung

t =

4/,