DE3713363A1

DE3713363A1 - Suchgeraet zum suchen von metallteilen

Info

Publication number: DE3713363A1
Application number: DE19873713363
Authority: DE
Inventors: Friedrich Prof Dr Foerster
Original assignee: Individual
Current assignee: Institut Dr Friedrich Foerster Pruefgeraetebau GmbH and Co KG
Priority date: 1987-04-21
Filing date: 1987-04-21
Publication date: 1988-11-10

Description

Die Erfindung betrifft ein Suchgerät gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Zum Suchen von Metallteilen im Erdboden, im Seewasser oder im Seeboden unter dem Seewasser sind zahlreiche Suchgeräte in Gebrauch. Allen diesen Suchgeräten liegt ein Prinzip zugrunde: Eine von Wechselstrom- oder Gleichfeldimpulsen durchflossene Primärspule erzeugt ein primäres Magnetfeld. Dieses Magnetfeld bewirkt in Metallkörpern Wirbelströme. Die Rückwirkung der magnetischen Felder dieser Wirbelströme auf eine Sekundär-Empfangsspule erzeugt in dieser elektrische Spannungen, welche als Indikation eines Suchkörpers dienen.

Bei ferromagnetischen Körpern treten unter der Wirkung des Primärfeldes zwei verschiedene Effekte auf, einmal wie bei Metallkörpern Wirbelströme, zum anderen aber zusätzlich magnetische Induktionseffekte durch die Aufmagnetisierung des ferromagnetischen Suchkörpers unter der Wirkung des primären Feldes. Beide Effekte erzeugen in ihrer Wirkung auf die Sekundärempfangsspule elektrische Spannungen.

Es sind im allgemeinen drei verschiedene physikalische Effekte, welche das Suchen von Metallkörpern bzw. ferromagnetischen Körpern erschweren, begrenzen bzw. unmöglich machen:

I. Die Rückwirkung des Erdbodens mit einer Permeabilität μ<1 auf die Sekundärempfangsspule.
II. Wirbelstromrückwirkung von Seewasser auf die Empfangsspule.
III. Inkonstanz einer statischen Suchgeräteanzeige durch Temperatureffekte, Ausgleich von inneren Spannungen in der primären Spulenanordung des Suchtellers.

Zu I.:
Wie in einer späteren quantitativen Rechnung gezeigt wird, kann die magnetische Rückwirkung eines Erdbodens mit μ<1 auf die Sekundär-Empfangsspule den Sucheffekt von Metallteilen sowie ferromagnetischen Teilen, die noch angezeigt werden müssen, um Größenanordnungen übersteigen. Aus diesem Grund sind die meisten Suchgeräte mit Vorrichtungen ausgerüstet, welche den Zweck haben, die Rückwirkung des von der Primärspule magnetisierten Erdbodens mit einer Permeabilität μ<1 auf die Sekundär-Empfangsspule zu reduzieren. Indessen handelt es sich bei diesem Effekt der Reduzierung der Wirkung eines Erdbodens mit einer Permeabilität m<1 auf die Sekundäre-Empfangsspule um einen relativ komplizierten Einstellvorgang von begrenzter Wirkung.

Bei allen Suchgeräten mit Reduzierungsmöglichkeit des Einflusses des Erdbodens mit μ<1 wird Gebrauch gemacht von der sogenannten phasengesteuerten Gleichrichtung, indem in der komplexen Spannungsebene der Sucheffekte die Phase der gesteuerten Gleichrichtung senkrecht auf die Phasenrichtung der elektrischen Spannung eingestellt wird, welche durch den Erdboden mit μ<1 in der Suchspule erzeugt wird. Diese Einstellung der Phasenrichtung senkrecht zur Fehlspannung durch die magnetische Permeabilität des Erdbodens hat jedoch den Nachteil, daß nun das Suchgerät mit höchster Empfindlichkeit auf Wirbelstromeffekte in Seewasser oder feuchtem Erdboden anspricht. Weiterhin geht bei dieser Einstellung der Phasenrichtung senkrecht auf die Phase der Fehlspannung, welche durch den Erdboden μ<1 erzeugt wird, die Fähigkeit des Suchgerätes zur Diskrimination des Suchkörpermaterials vollständig verloren.

Zu II.:
Der eingangs genannte zweite physikalische Effekt, der das Suchen von Metallteilen im feuchten Erdboden oder im Seewasser erschwert, wird durch Wirbelströme erzeugt. Ganz allgemein erzeugt ein magnetischer Wechselfeldeinfluß, wie er durch die Primärwicklung des Suchtellers erzeugt wird, elektrische Spannungen. Sobald das Medium, wie z. B. Seewasser oder feuchtes Erdreich, welches der magnetische Wechselfluß durchdringt, eine elektrische Leitfähigkeit aufweist, erzeugen die durch den magnetischen Fluß bewirkten elektrischen Wechselspannungen Wechselströme in dem Medium, die sogenannten Wirbelströme. Diese Wirbelströme ihrerseits bewirken ein magnetisches Wechselfeld, welches in der sekundären Suchspule elektrische Fehlspannungen erzeugt, d. h. Suchgerätenanzeigen, die nicht von einem metallischen oder ferromagnetischen Suchkörper herrühren.

Zu III.:
Der eingangs genannte dritte Störeffekt besteht in einer Inkonstanz der Nullanzeige durch Temperatureffekte, Ausgleich innerer Spannungen im Suchteller oder seine mechanische Berührung. Bei einem Suchteller muß die unmittelbare Wirkung des Feldes der Primärspule auf die sekundäre Empfangsspule extrem genau durch eine sekundäre Hilfsspule, eine zweite Primärspule oder ähnliches kompensiert werden, da die von der Sekundärspule zu empfangenden Signale durch Suchkörper um mehr als den Faktor 10^-6 die von dem Feld der Primärspule in der Sekundärspule induzierten Spannungen unterschreiten. Ein derartig extrem hoher Kompensationsgrad von über 10^-6 läßt sich nur schwer über längere Zeit aufrechterhalten, da Ausdehnungseffekte bei Temperaturänderungen, Ausgleich mechanischer Spannungen usw. Wanderungen der Nullanzeige hervorrufen, die ein häufiges Wiedereinstellen des Nullpunktes erfordern. Tatsächlich tritt eine Nullpunktswanderung besonders stark bei denjenigen Suchgeräten auf, die ansonsten die beste Suchempfindlichkeit aufweisen.

Das erfindungsgemäße Suchgerät vermeidet die vorher aufgezählten drei Störeffekte durch eine vollautomatische Kompensation der Störeffekte vollständig, und zwar durch:

1) Totale Unterdrückung der Wirkung eines Erdbodens mit μ<1 auf die sekundäre Empfangsspule des Suchgerätes, auch bei Erdlöchern, Steinen und beliebigen Gradienten der magnetischen Permeabilität des Erdbodens. Diese Unterdrückung erfolgt ohne jede Einstellung vollautomatisch.
2) Vollständige Unterdrückung der Wirkung von Wirbelströmen in Seewasser oder in feuchtem Erdreich auf die sekundäre Empfangsspule.
3) Vollständige Unterdrückung von Temperatureffekten usw. auf die Nullanzeige des Suchgerätes, da sich eine Nullpunktswanderung, z. B. durch Temperatureffekte usw., vom Prinzip her vollautomatisch kompensiert.

Durch eine quantitative theoretische und experimentelle Klärung der physikalischen Mechanismen der drei vorher beschriebenen Störeffekte, welche die Suchleistung und Bedienbarkeit bekannter Suchgeräte reduzieren, konnte ein wichtiger Fortschritt zu höherer Suchleistung, geringerem Grad von Fehlanzeigen und vereinfachter Bedienung erzielt werden.

Für das Verständnis der Erfindung sind einige grundsätzliche Erklärungen des physikalischen Mechanismus der Rückwirkung des Erdbodens mit μ<1 auf die sekundäre Empfangsspule erforderlich. Gegeben sei entsprechend Fig. 1 eine Suchgeräte-Primärspule P zur Erzeugung eines Wechselfeldes im Erdboden. In der Primärspulenebene befindet sich die sekundäre Empfangsspule SE, konzentrisch angeordnet. Die Primärspule hat n _P Windungen, einen mittleren Radius R _P [cm]. Der Querschnitt der Primärwicklung ist kreisförmig. Er hat einen Radius von r cm. Die n _P Windungen der Primärspule werden von einem Wechselstrom I _P durchflossen. Aus diesen Angaben berechnet sich der totale, von der Primärspule erzeugte magnetische Fluß Φ _tot nach Gleichung (1)

Das Zentrum dieser Primärspule ist von der Erdoberfläche a [cm] entfernt. Der Erdboden möge eine magnetische Permeabilität μ aufweisen. Aus den vorher genannten Angaben läßt sich die Rückwirkung des magnetischen Erdbodens, sowohl auf die Primärspule als auch auf die sekundäre Empfangsspule, quantitativ berechnen. Diese Rückwirkung des magnetisierbaren Erdbodens auf die Primärspule und sekundäre Empfangsspule des Suchtellers ist identisch mit der Wirkung einer gespiegelten virtuellen Primärspule, welche a [cm] unter der Erdoberfläche liegt, wenn sich die wirkliche Primärspule a [cm] oberhalb der Erdoberfläche befindet. Der gespiegelten virtuellen Primärspule P _Spiegel, entsprechend Fig. 1, sind die gleichen Größen: Windungszahl n _P, Radius R _P, Radius r des Wicklungsquerschnittes zuzuschreiben wie sie bei der wirklichen Primärspule vorhanden sind. Lediglich statt dem primären Wechselstrom I _P ist für den Strom durch die gespiegelte virtuelle Primärspule P _Spiegel einzusetzen:

Die Rückwirkung des Erdbodens mit der Permeabilität μ auf die Primärspule und die sekundäre Empfangsspule berechnet sich aus der Wirkung einer gespiegelten virtuellen Primärspule, welche von der wirklichen Primärspule sowie der sekundären Empfangsspule in axialer Richtung zweimal a (a = Abstand des Suchtellers von der Erdoberfläche in cm entfernt ist, und welche einen totalen Fluß Φ _{tot, Spiegel} nach Gleichung (3) erzeugt:

Der Faktor F beschreibt den zunächst noch unbekannten Einfluß der Wirbelströme im feuchten, d. h. elektrisch leitenden Erdreich bzw. in Seewasser. Wenn der magnetische Wechselfluß des Suchtellers das Erdreich durchdringt, treten elektrische Wechselspannungen auf, welche im feuchten, d. h. elektrisch leitenden Erdreich Wechselströme bewirken. Die Felder dieser im feuchten Erdreich fließenden Wechselströme erzeugen ihrerseits magnetische Wechselfelder, welche Fehlspannungen in der Sekundärempfangsspule des Suchtellers bewirken können. Jedoch zeigten nachfolgend Berechnungen, z. B. Gleichung (5), daß Wirbelströme im Erdboden oder sogar in Seewasser auf die in diesem Suchverfahren ausschließlich verarbeiteten imaginären Spannungskomponenten entsprechend Gleichung (12) keinen Einfluß haben, so daß der Faktor F in Gleichung (3) den Wert 1 erhält.

Die Aufgabe der Ermittlung der Rückwirkung des Erdbodens mit einer Permeabilität μ auf die Primärspule sowie auf die sekundäre Empfangsspule in Fig. 1 besteht darin, zu berechnen: Welcher Anteil des Φ _{tot, Spiegel} nach Gleichung (3) durchfließt mit wachsendem Abstand a der Primärspule, d. h. des Suchtellers, von der Erdoberfläche die sekundäre Empfangsspule?

Die Berechnung mit elliptischen Integralen wurde für einen praktischen Fall durchgeführt. In Tabelle 1 sind die Rechnerergebnisse für diesen aus der Wirklichkeit entnommenen praktischen Fall mit den Parametern R _P=10 cm; R _Sek=5 cm; n _P=100 Windungen wiedergegeben. Der durch die sekundäre Empfangsspule hindurchtretende Anteil des totalen Flusses Φ _{tot, Spiegel} der virtuellen gespiegelten Primärspule im Erdboden wird in Tabelle 1 angegeben. Dabei ist der Abstand des Suchtellers in Zentimeter von der Erdoberfläche in der ersten Spalte der Tabelle 1 angegeben. Tabelle 2 zeigt die Fehlspannung der Sekundärempfangsspule durch den μ-Effekt des Erdbodens. Die Erdbodenpermeabilität reicht in Tabelle 2 von μ=1,18 bis μ=1,001. Der Wert m=1,18 für den Erdboden entspricht dem höchsten in US-Spezifikationen angegebenen Wert, welcher in seiner Wirkung auf die Suchgeräteanzeige unterdrückt werden muß.

Von besonderem Interesse ist der Vergleich der Fehlspannungen durch den Erdboden mit μ<1 mit den Suchspannungen, die durch eine Stahlkugel mit z. B. einem Durchmesser von 1,5 cm für die verschiedenen Tiefenlagen erhalten werden. Im folgenden werden deshalb die Gleichungen zur quantitativen Berechnung der Suchanzeigen durch eine Stahlkugel in verschiedenen Abständen vom Suchteller angegeben. Unter der Wirkung eines von der Primärspule des Suchtellers ausgehenden magnetischen Wechselfeldes erhält die Kugel ein magnetisches Wechselfeldmoment M _∼. Dieses erzeugt seinerseits ein magnetisches Wechselfeld in seiner Umgebung. Der Teil des aus der magnetisierten Kugel austretenden Wechselfeldflusses Φ _∼, welcher die Fläche der sekundären Empfangsspule des Suchtellers durchdringt, erzeugt in dieser Empfangsspule eine elektrische Spannung E _∼, welche das Suchsignal des betreffenden Suchkörpers darstellt. Die Gleichung (4) für das magnetische Wechselfeldmoment lautet:

μ _s ist dabei die scheinbare Permeabilität einer Kugel. Bei hoher relativer Permeabilität des Werkstoffes der Kugel, z. B. μ _rel=100, ist μ _{s (Kugel)}=3. Das Volumen der Kugel mit dem Durchmesser B ist B³ · H _∼ ist das auf die Kugel wirkende Primärfeld des Suchtellers.

Zur Erläuterung des Begriffs der effektiven Permeabilität μ _eff in der Gleichung (4) als Schlüssel zum Verständnis dieser Ausführungen folgen einige kurze Hinweise auf die theoretischen Grundlagen | 1, 2 | der Wirbelstromtechnik. In Fig. 2 ist ein zylindrischer Körper (stark umrandet) aus einem elektrisch leitenden Werkstoff dargestellt, der sich in einem magnetischen Wechselfeld H₀ befindet. Durch das Wechselfeld werden in dem Zylinder Wirbelströme induziert, welche ihrerseits das Wechselfeld im Inneren des zylindrischen Körpers schwächen. Diese zum Zentrum des Zylinders hin zunehmende Schwächung des außen angelegten Wechselfeldes ist in Fig. 2 dargestellt. Neben der Schwächung des angelegten Wechselfeldes tritt gleichzeitig eine Phasendrehung des Wechselfeldes gegenüber dem außen angelegten Feld auf, welche von der Oberfläche des Zylinders aus nach innen zu anwächst. Für quantitative Berechnungen der Wirbelstromwirkung ist nun die sich über den Querschnitt des zylindrischen Körpers erstreckende Verteilung der Feldamplituden und Phasenlagen äußerst kompliziert. Um zu Vereinfachungen in der Berechnung von Wirbelstromeffekten zu kommen, wird die komplizierte Amplituden- und Phasenverteilung im zylindrischen Körper ersetzt durch die Annahme entsprechend Fig. 3, daß das angelegte Feld H₀ im Inneren des zylindrischen Körpers konstant bleibt, daß aber dem Werkstoff des Zylinders eine komplexe effektive Permeabilität μ _efff<1 zugeordnet wird, so daß in der Spannungsberechnung für E _sek das gleiche Ergebnis erhalten wird wie in der Wirklichkeit mit Amplitudenabnahme und Phasendrehung im Inneren des Körpers. Diese Effekte bewirken, daß sich die rechnerische Ersatzgröße μ _eff als komplexe Größe durch zwei Komponenten, μ _{eff real} und μ _{eff imag}, darstellt. Diese beiden Komponenten lassen sich für verschiedene Körper aus den Parametern elektrische Leitfähigkeit σ, magnetische relative Permeabilität μ _rel, Dimension, z. B. Kugeldurchmesser B oder Zylinderdurchmesser D, sowie Frequenz f des angelegten Wechselfeldes berechnen. Dabei ergeben sich für die verschiedenen Körperformen, z. B. Kugel, Zylinder usw., verschiedene Berechnungsgleichungen. Derartige Berechnungen der beiden Komponenten der effektiven Permeabilität für metallische ferromagnetische und nicht-ferromagnetische Suchkörper sowie für den Erdboden mit der magnetischen Permeabilität μ<1 und der elektrischen Leitfähigkeit σ (feuchter Erdboden bzw. Seewasser) führen zu den erfindungsgemäßen Problemlösungen.

Das magnetische Wechselfeldmoment M _∼ einer Kugel ist eine wegen dem komplexen Charakter von μ _eff in Gleichung (4) ebenfalls komplexe Größe, nämlich M _{∼ real} und M _{∼ imag}. Bevor jedoch die quantitative Berechnung der komplexen Komponenten des magnetischen Momentes einer Kugel in Angriff genommen wird, soll untersucht werden, ob ein Wirbelstromeinfluß der Bodenfeuchtigkeit bzw. des Seewassers die Nachweismöglichkeit des magnetischen Momentes eines Suchkörpers - in diesem Fall einer Kugel - stören oder überdecken kann.

Die Wirkung der magnetischen Permeabilität μ des Erdbodens auf die sekundäre Suchspule (Störfaktor I) läßt sich - wie vorher gezeigt - durch die Theorie der virtuellen gespiegelten Primärspule exakt berechnen. Im folgenden soll die Rückwirkung der durch ein Primärwechselfeld im feuchten Erdreich bzw. im Seewasser erzeugten Wirbelströme auf eine Sekundärspule (als Störfaktor II) für einen extrem ungünstigen Fall quantitativ berechnet werden. Dazu wird ein Zylinder aus elektrisch leitendem Erdboden einem magnetischen Wechselfeld H₀ entsprechend Fig. 3 ausgesetzt. Bei gegebener elektrischer Leitfähigkeit σ des Erdbodenzylinders und gegebenem Zylinderdurchmesser D läßt sich nach der Theorie | 1, 2 | des Erfinders quantitativ berechnen, ob und wie stark eine Wirbelstromwirkung des elektrisch leitenden Erdbodens bzw. Seewassers die Wirkung der effektiven Permeabilität des Suchkörpers, z. B. einer Stahlkugel, verfälschen kann. Dazu wird in der quantitativen Berechnung für die elektrische Leitfähigkeit des Erdbodens der höchste Wert, der normalerweise in der Natur auftreten kann, eingesetzt, nämlich die elektrische Leitfähigkeit von Seewasser mit σ=5 · 10^-6 m/Ωmm². Weiterhin wird als Durchmesser des Erdbodenzylinders der Durchmesser der sekundären Suchspule des Suchtellers D=10 cm angenommen.

Statt der umfangreichen Berechnung der imaginären und realen Komponente der effektiven Permeabilität μ _eff des elektrisch leitenden Erdbodenzylinders werden Näherungsgleichungen (5) und (6) verwendet, deren Abweichung von der exakten Berechnung mit Besselfunktionen kleiner als 0,1% ist, wenn der Wirbelstromkennwert

Für σ=5 · 10^-6 m/Ωmm²; D =10 cm und μ _real=1 ergibt sich

bei f =2 kHz ein Wert von (m _{eff real}-1)=-7,8 · 10^-10;
bei f =20 kHz ein Wert von (μ _{eff real}-1)=-7,8 · 10^-8.

Das heißt, für μ _{eff real} berechnet sich bei der Frequenz 2 kHz bzw. der Frequenz 20 kHz ein Wert, welcher erst in der zehnten bzw. achten Stelle nach dem Komma von dem Wert 1 abweicht. Das heißt, die Größe μ _{eff real} wird durch Wirbelstromeffekte im feuchten Erdboden bzw. Seewasser nicht mehr beeinflußt.

Nachdem diese Berechnung für den ungünstigsten Fall

1) elektrische Leitfähigkeit von Seewasser,
2) Sekundärspule unmitelbar auf den Erdzylinder gewickelt,

durchgeführt wurde, ist damit der schlüssige Beweis erbracht, daß die im Erdboden und im Seewasser auftretende elektrische Leitfähigkeit und die dadurch bewirkten Wirbelströme die Größe μ _{eff real} unbeeinflußt lassen. Daher braucht in Gleichung (3) der Faktor F als Wirbelstromeinfluß bei elektrisch leitendem Erdboden nicht mehr berücksichtigt zu werden, da er 1 ist.

Dagegen reagiert die imaginäre Komponente der effektiven Permeabilität wesentlich stärker auf die elektrische Leitfähigkeit von Erdboden oder Seewasser und die dadurch bewirkten Wirbelstromeffekte. Die hierfür abgeleitete Näherungsgleichung (6), deren Resultate für kleine (f/f _g)-Werte weniger als 0,01% von der umfangreichen exakten Berechnung abweichen, lautet:

Für den Erdbodenzylinder mit s=5 · 10^-6 m/Ωmm² und D =10 cm berechnet sich

bei f =2 kHz: μ _{eff imag}=2,42 · 10^-5;
bei f =20 kHz: μ _{eff imag}=2,42 · 10^-4;

Die Auswertung der Näherungsgleichung für die (m _{eff real})- und (μ _{eff imag})-Komponente der effektiven Permeabilität ergibt für den Erdzylinder mit 10 cm Durchmesser und der Leitfähigkeit von Seewasser drei wichtige Hinweise für das Suchen von Metallteilen im feuchten Erdreich bzw. im Seewasser:

1) In der Berechnung der imaginären Komponente der effektiven Permeabilität μ _{eff imag} ist die Frequenz f als lineare Größe enthalten.
2) In der Realkomponente der effektiven Permeabilität μ _{eff real} des feuchten Erdbodens verschwindet dagegen der Frequenzeinfluß. Die Frequenzinvarianz der Realkomponente der effektiven Permeabilität ist es, welche das in dieser Anmeldung beschriebene Verfahren der automatischen Unterdrückung der Wirkung des magnetisierbaren Erdbodens mit einer Permeabilität μ<1 ermöglicht.
3) Die (μ _{eff imag})-Komponente in dem voranstehend gerechneten Beispiel des Erdbodenzylinders mit einem Durchmesser von D =10 cm und mit der elektrischen Leitfähigkeit des Seewassers σ =5 · 10^-6 m/Ωmm² ist um mehrere Zehnerpotenzen größer als der (m _{eff real}-1)-Wert. Der Wirbelstromeinfluß des Erdbodenzylinders auf die Größe μ _{eff imag} ist z. B. bei der Frequenz f =2 kHz 3,12 · 10⁴ mal so groß wie auf die Größe μ _{eff real}. Dieser extreme Unterschied in der Wirbelstromwirkung eines feuchten Erdbodens bzw. Seewassers auf die beiden Komponenten von m _eff spricht für die Verwendung der (μ _{eff real})-Komponente im Suchbetrieb. Aber gerade diese Komponente konnte bisher nicht verwendet werden, weil durch den Erdboden mit μ<1 in dieser Komponente μ _{eff real} die erheblichen Fehlspannungen, z. B. entsprechend Tabelle 2, auftreten.

Nach dieser Berechnung der Wirbelstromwirkung in elektrisch leitendem Boden bzw. Seewasser soll die effektive Permeabilität μ _eff eines Suchkörpers, im vorliegenden Beispiel einer Stahlkugel, quantitativ untersucht werden, welche entsprechend Gleichung (4) eine wichtige Bestimmungsgröße des magnetischen Momentes M _∼ der Kugel darstellt. Fig. 4 zeigt ein Diagramm der komplexen Permeabilität einer Stahlkugel mit den in senkrechter Richtung aufgetragenen (μ _{eff real})- und in horizontaler Richtung aufgetragenen (μ _{eff imag})-Komponenten.

Werden in die Wirbelstromkenngröße der Kugel

die elektrische Leitfähigkeit σ =7 m/Ωmm²; Durchmesser B =1,5 cm; Permeabilität μ _rel=70 eingesetzt und die Frequenz f =22,5 kHz gewählt, so ergibt sich für diese der Wert 1. Aus Fig. 4 ist zu entnehmen, daß sich für diese Wirbelstromkenngröße 1 der Kugel für μ _{eff real}=0,25 und für μ _{eff imag}=0,31 ergibt.

Das Diagramm, Fig. 4, läßt bereits erkennen, daß zum Suchen von metallischen Körpern im Erdboden die senkrechte Komponente μ _{eff real} wesentlich günstiger ist als die horizontale Komponente m _{eff imag}. Einmal durchläuft die senkrechte Komponente μ _{eff real} die Werte von +1 bis -0,5 mit wachsenden Werten der Wirbelstromkenngröße in eindeutiger Richtung. Die horizontale Komponente μ _{eff imag} durchläuft dagegen einen etwa fünfmal kleineren Bereich von 0,31 bis 0, wobei sich bei den Wirbelstromkenngrößen unter 1 und über 1 die (μ _{eff imag})-Werte wiederholen, wodurch die Diskrimination der Parameter des Suchkörpers hierbei wegen der Zweideutigkeit eine geringere Möglichkeit aufweisen muß als bei der Komponente μ _{eff real}.

Für das in dieser Anmeldung beschriebene Suchverfahren kommt daher die Komponente μ _{eff real} zur Anwendung, welche durch phasengesteuerte Gleichrichtung aus dem komplexen (μ _eff)-Wert gewonnen wird.

Aus Gleichung (4) für das komplexe magnetische Wechselfeldmoment einer Kugel wird daher Gleichung (7)

Um die Gleichung (7) besser handhaben zu können, wurden vom Erfinder aus der langwierigen Berechnung der (μ _{eff real})- und (μ _{eff imag})-Werte für Kugeln aus Besselfunktionen | 4 | einfache Näherungsgleichungen für μ _{eff real} und m _{eff imag} abgeleitet, deren Abweichung vom exakten Wert für den gesamten Bereich der Kenngröße der Kugel von Null bis Unendlich unter 1 Prozent liegt.

Diese Näherungsgleichungen lauten:

wobei μ _{rel, a} die relative Anfangspermeabilität ist.

Aus Gleichung (8) ist bereits zu entnehmen, daß durch die Frequenzabhängigkeit der Größe μ _{eff real} das magnetische Moment M _∼real nach Gleichung (7) frequenzabhängig ist.

Tabelle 3 zeigt die aus Gleichungen (8) und (9) berechneten (μ _{eff real})- und (μ _{eff imag})-Werte für die früher angenommenen und in Tabelle 3 angegebenen σ-, B- und (μ _rel)-Werte und den Frequenzbereich f =1-32 kHz. Wir entnehmen aus Tabelle 3, daß m _{eff real} bei 2 kHz um über 60% absinkt, wenn die Frequenz auf 20 kHz erhöht wird.

In der Gleichung (7) für den Realteil des magnetischen Wechselfeldmomentes ist als Faktor die von der Primärspule in der Tiefenlage T erzeugte Feldstärke H _∼ in Oe enthalten.

Die Gleichung (10) für die Feldstärke H _∼ im axialen Abstand T vom Zentrum der Primärspule lautet:

Dabei bedeuten n _P die Windungszahl und I _P die Wechselstromstärke in der Primärspule des Suchtellers. R _P ist der Radius der Primärspule. In Gleichung (10) gibt der erste Ausdruck die Feldstärke im Zentrum der Primärspule in der Primärspulenebene wieder. Der zweite Ausdruck in der Klammer berechnet den Faktor, mit dem die Feldstärke im Primärspulenzentrum multipliziert werden muß, um die axiale Feldstärke in der Tiefe T zu erhalten.

Wie voranstehend dargelegt, muß der Anteil des von dem Suchkörper ausgehenden magnetischen Flusses Φ _real berechnet werden, welcher die sekundäre Empfangsspule mit dem Radius R _s durchdringt, denn dieser Wechselfluß des Suchkörpers in der Tiefe T ist es, welcher das Suchkörpersignal in der sekundären Empfangsspule erzeugt. Dieser Flußanteil des magnetischen Wechselfeldmomentes des Suchkörpers Φ _{real (Rs, T)}, welcher die Sekundärspule durchdringt, berechnet sich aus Gleichung (11):

Aus diesem, die Sekundärspule durchdringenden Fluß Φ _{real (Rs, T)} berechnet sich nach Gleichung (12) die Wechselspannung des Suchkörpersignals.

E _{sek imag}=2 π · f · n _s · Φ _{real (Rs, T)} · 10^-8 [V] (12)

Aus Gleichung (12) errechnete Werte von E _sek für eine Stahlkugel mit den oben genannten Daten bei den Frequenzen 2 und 20 kHz und bei Abstandswerten zwischen 0 und 30 cm sind in Tabelle 5 angegeben.

Tabelle 4 zeigt eindrucksvoll die Bedeutung der Unterdrückung der magnetischen Rückwirkung des Erdbodens mit einer Permeabilität μ<1 auf die sekundäre Empfangsspule. In dieser Tabelle, welche aus Tabellen 2 und 5 gewonnen wurde, wird die Fehlspannung durch magnetisierbaren Erdboden mit einer Permeabilität m=1,18 verglichen mit der Nutzspannung der Sekundärempfangsspule durch eine Stahlkugel mit dem Durchmesser B =1,5 cm bei wachsender Tiefenlage der Kugel. Bei einer Tiefenlage der Stahlkugel von 10 cm ist die Erdboden-Fehlspannung bei μ=1,18 bereits 42,8 mal größer als die Nutzspannung durch die Kugel.

Aus dem zuvor Gesagten ergibt sich die Aufgabenstellung der Erfindung: Es soll ein Suchgerät gemäß der im Oberbegriff von Anspruch 1 definierten Gattung geschaffen werden, bei dem die in der sekundären Empfängerspule durch einen Erdboden mit μ<1 entstehende Fehlspannung in einfacher Weise zum Verschwinden gebracht wird.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Suchgerät, das gemäß Anspruch 1 gekennzeichnet ist.

Im folgenden wird beschrieben, auf welche Weise die Fehlspannung der Suchspule durch den Erdboden mit m<1 automatisch ohne jede Einstellung zum Verschwinden gebracht wird, ohne daß die Nutzspannung eines Suchkörpers, z. B. einer Stahlkugel, eine Reduzierung erfährt. Aus Gleichung (3) läßt sich der magnetische Wechselfeld-Gesamtfluß der virtuellen gespiegelten Primärspule im Erdboden berechnen, indem der Gesamtfluß der Primärspule im Suchteller mit dem Faktor (μ-1)/(μ+2) multipliziert wird. Von diesem Φ _{tot Spiegel} durchdringt ein Bruchteil F _a die sekundäre Suchspule.

Dieser Kopplungsfaktor F _a zwischen dem magnetischen Fluß Φ _{tot Spiegel} der virtuell gespiegelten Primärspule und der sekundären Suchspule gibt an, welcher Anteil des totalen Flusses der gespiegelten Primärspule durch die Fläche der sekundären Suchspule tritt, also eine elektrische Spannung E _sek erzeugt.

Aus der durch elliptische Integrale berechneten Verteilung des magnetischen Flusses Φ _{tot Spiegel} im gesamten Raum läßt sich die Gleichung gewinnen für den Faktor F _a in seiner Abhängigkeit von der Entfernung a des Suchtellers von der Erdoberfläche. Für die angenommenen Werte des Radius R _P=10 cm der Primärspule und R _sek=5 cm der sekundären Suchspule ergibt sich die Gleichung (14) für den Kopplungsfaktor F _a:

Aus Gleichung (14) ergibt sich der durch den Erdboden mit der magnetischen Permeabilität μ erzeugte, die Fläche der Sekundärspule durchdringende magnetische Fluß Φ _sek entsprechend Gleichung (15):

wobei für Φ _{tot P} die Gleichung (1) einzusetzen ist.

Die durch den Erdboden mit einer Permeabilität μ erzeugte elektrische Spannung in der Sekundärspule des Suchtellers berechnet sich unter Verwendung von Gleichung (3) entsprechend Gleichung (16)

E _{sek imag}=L · I _P · f [V] (16)

wenn für L der Ausdruck

gesetzt wird. Aus Gleichung (16) läßt sich gleichzeitig quantitativ angeben, wie die Sekundärspannung der Suchspule exponentiell mit dem Abstand a des Suchtellers von der Erdoberfläche abnimmt.

In der Spannung E _sek der Sekundärspule, welche entsprechend Gleichung (16) vom Erdboden mit einer Permeabilität m erzeugt wird, sind enthalten die Parameter der Primärspule n _P, R _P, r, I _P, f sowie die Parameter der Sekundärspule n _s und Abstand a der Sekundärspule von der Erdoberfläche. Die Größe R _s=½ R _P ist in den Zahlwerten der Gleichung (14) für F _a enthalten.

Durch den Effekt des Erdbodens mit μ<1 können in der Sekundärspule nur imaginäre Spannungen auftreten, nachdem vorangehend quantitativ bewiesen wurde, daß die elektrische Leitfähigkeit des Bodens, d. h. Wirbelströme im Boden, keinerlei Einfluß auf den Wert μ _{eff real} haben, sondern nur die Größe μ _{eff imag} beeinflussen.

Wenn die Primärspule des Suchtellers gleichzeitig mit zwei Wechselströmen I₁ mit der Frequenz f₁ und I₂ mit der Frequenz f₂ beschickt wird, so empfängt die Sekundärspule zwei magnetische Wechselflüsse mit unterschiedlicher Frequenz. Die daraus in der Sekundärspule entstehenden Spannungen mit zwei verschiedenen Frequenzen werden nach der Trennung durch Filter zwei Verstärker zugeführt. Die Stromstärken der beiden Wechselströme I₁ und I₂ in der Primärspule sowie die beiden Frequenzen f₁ und f₂ und die beiden Verstärkungsgrade A₁ und A₂ der Gesamtverstärkung werden so gewählt, daß

A₁ · f₁ · I₁=A₂ · f₂ · I₂ (17)

Die beiden Wechselspannungen verschiedener Frequenzen an den Ausgängen der Verstärker werden nach phasengesteuerter Gleichrichtung in der imaginären Spannungsrichtung gegeneinander geschaltet, so daß die Differenz der beiden Wechselspannungen mit der unterschiedlichen Frequenz f₁ und f₂ zur Anzeige kommt.

In Formeln ausgedrückt, erscheint die Gegeneinanderschaltung der beiden vom Erdboden mit μ<1 erzeugten Spannungen Δ E _sek folgendermaßen:

Δ E _{sek imag}=L (A₁ · f₁ · I₁-A₂ · f₂ · I₂) (18)

Da nach Gleichung (17) die Produkte A₁, f₁, I₁ und A₂, f₂, I₂ auf den gleichen Wert eingestellt sind, wird die Differenz in der Klammer der Gleichung (18) =0. Das heißt, Δ E _sek wird Null für den Effekt des Erdbodens mit μ<1.

Da Primärspule und Sekundärspule des Suchtellers für die beiden Frequenzen f₁ und f₂ identisch sind, muß sich jede Inhomogenität der Erdbodenpermeabilität durch Erdlöcher, Steine sowie bei Permeabilitätsgradienten in der Suchgeräteanzeige herausheben. Damit entfallen die eingangs genannten komplizierten Einstellungen der Erdbodenkompensation.

Es sei hier jedoch darauf hingewiesen, daß die durch Gleichung (18) quantitativ gefaßte Ausschaltung des Einflusses eines Erdbodens mit μ<1 nur dadurch möglich wird, daß - wie vorher bewiesen - der Einfluß der frequenzabhängigen Wirbelströme im feuchten Erdboden oder Seewasser auf die Größe μ _{eff real} nicht mehr nachweisbar ist. Es wurde voranstehend gezeigt, daß die Größe μ _{eff real} bei einer elektrischen Leitfähigkeit des Erdbodens gleich der des Seewassers erst in der achten bzw. zehnten Stelle nach dem Komma von dem Wert 1 abweicht.

Die voranstehend theoretisch begründeten und quantitativ berechneten Ergebnisse des 2-Frequenz-Suchverfahrens, welche zu einer automatischen Ausschaltung des an sich erheblichen Einflusses eines Erdbodens mit μ<1 führen, bewirken gleichzeitig eine hochstabile Nullpunktskonstanz der Suchgeräteanzeige, unabhängig von Temperatureffekten, dem Ausgleich innerer Spannungen im Suchteller usw., d. h. das 2-Frequenz-Suchverfahren beseitigt außer dem eingangs genannten Störfaktor I auch den Störfaktor III.

Hierauf wird im folgenden eingegangen. Gleichung (1) gibt den totalen durch die Primärspule erzeugten magnetischen Fluß Φ _{P tot} wieder. Für die Parameter n _P=100 Wdg.; I _P=10 mA; R _P=10 cm; f =20 kHz ergibt sich nach Gleichung (1) ein Gesamtfluß der Primärspule Φ _tot=44 Maxwell. Für die Sekundärspule des Suchtellers mit den Parametern R _sek=5 cm; n _sek=300 Wdg. läßt sich die in der Sekundärwicklung induzierte elektrische Spannung quantitativ angeben. Für den Anteil des magnetischen Flusses, welcher, aus der Primärspule R _P=10 cm stammend, die Sekundärspule mit R _sek=5 cm durchdringt, ergibt sich aus der Auswertung elliptischer Integrale Φ _sek=0,124 · Φ _{P tot}=5,45 Maxwell. Die durch den Anteil von 12,4% des totalen Primärflusses bewirkte Sekundärspannung berechnet sich nach der Gleichung (12) zu E _sek=2,05 V.

Durch die Auswertung der Gleichungen (7), (8), (10), (11), (12) und (19) wurde Tabelle 5 gewonnen, welche die elektrischen Spannungen der Sekundärspule des Suchtellers für eine Stahlkugel mit 1,5 cm Durchmesser in Abhängigkeit von ihrem Abstand vom Suchteller wiedergibt. Nach Tabelle 5 erzeugt die Stahlkugel in 30 cm axialem Abstand von dem Zentrum des Suchtellers eine Differenzspannung von Δ E _{sek Kugel}=0,5 µV. Das heißt, die von der Primärspule in der Sekundärspule induzierte Spannung ist bei den vorher angegebenen Parametern des Suchtellers über 10⁶ mal größer als die Suchspannung einer Stahlkugel mit B =1,5 cm im axialen Abstand 30 cm vom Suchtellerzentrum. Es ist deshalb eine besondere Aufgabe, die Wirkung des magnetischen Flusses der Primärspule auf die Sekundärspule extrem zu kompensieren. In der Patent-Literatur sind zahlreiche Lösungen zur Entkoppelung der Wirkung der Primärspule auf die Sekundärspule vorgeschlagen, welche jedoch einen derartig hohen Kompensationsgrad der Wirkung des Primärflusses auf die Sekundärspule nicht annähernd erreichen. Zum Beispiel ist in der US-Patentschrift Nr. 4,2 93 816 (1981) angegeben, daß die nicht kompensierbare Restspannung der Sekundärspule 6 mV beträgt. Diese Fehlspannung ist aber zehntausendmal größer als die Nutzsuchspannung, welche eine Kugel mit B =1,5 cm in 30 cm Abstand vom Suchtellerzentrum erzeugt.

Für eine hohe Suchempfindlichkeit, insbesondere für kleine Metallteile, z. B. metallischer Zündstift in sonst metallfreien Minen, ist ein sehr hoher Kompensationsgrad der Wirkung der Primärspule auf die Sekundärspule erforderlich. Das bedeutet aber, daß ein solch hoher Kompensationsgrad durch Ausdehnungseffekte im Suchteller beim Temperatur- und Feuchtigkeitsänderungen oder durch Kriecheffekte bei dem Ausgleich innerer Spannungen des Suchtellermaterials gestört wird, was zu ständigen Nullpunktswanderungen der Suchgeräteanzeige führt. Wie eingangs erwähnt, zeigen gerade die getesteten Suchgeräte verschiedener Fabrikate mit höchster Suchempfindlichkeit die stärkste Nullpunktsinstabilität.

Es wurde voranstehend gezeigt, daß die in der sekundären Suchspule durch den Erdboden mit μ<1 induzierten Spannungen genau in der imaginären Spannungsrichtung liegen, weil in dem (μ _{eff real})-Wert des Erdbodens Wirbelstromeffekte des elektrisch leitenden Erdbodens nicht wirksam werden. Ein (μ _{eff real})-Effekt erzeugt einen imaginären Spannungseffekt.

Durch eine Instabilität des Nullabgleichs der Wirkung der Primärspule auf die Sekundärsuchspule, z. B. durch Temperatur-Ausdehnungseffekte usw., wird eine Fehlspannung E _sek erzeugt, welche in der genau gleichen Phasenrichtung liegt wie die Fehlspannungen durch den Erdboden mit μ<1. Das heißt aber, daß bei dem 2-Frequenz-Suchverfahren sich die Fehlspannungen durch Instabilität des Nullabgleiches in gleicher Weise automatisch kompensieren wie die Fehlspannungen durch magnetisierbaren Erdboden. Für beide Fälle gilt dieselbe Bedingung der Gleichung (17).

Ein völlig anderes Verhalten wie die Wirkung des Erdbodens mit μ<1 und die Nullpunktswanderung durch Abgleich-Instabilitäten des Suchtellers zeigt ein metallischer Suchkörper, z. B. eine Stahlkugel. Aus der Gleichung (7) für das magnetische Wechselfeldmoment einer Kugel, der Gleichung (10) für die Wechselfeldstärke des Suchtellers, der Gleichung (11) für den magnetischen Flußanteil der Stahlkugel, welcher die sekundäre Suchspule im Suchteller durchdringt, ergibt sich Gleichung (19):

E _{s imag 1}=K· f₁ · I₁ · μ _{eff real₁} [V] (19)

wenn gesetzt wird:

Bei dem 2-Frequenz-Verfahren mit f₁ und f₂ ergibt die Spannungsdifferenz der Suchspule für die beiden Frequenzen (E _{s imag 1}-E _{s imag 2})=Δ E _s unter Berücksichtigung der Gleichung (17) die Gleichung (20):

w E _{s imag}=K · A₁ · I₁ (μ _{eff real 1}-μ _{eff real 2}) (20)

Das heißt, die Gleichung (20) für die Differenzspannung des 2-Frequenz-Suchverfahrens enthält neben den Parametern der Primär- und der Sekundärspule des Suchtellers, dem Volumen und der Tiefenlage des Suchkörpers auch die Differenz der Realkomponenten der effektiven Permeabilität für die beiden Frequenzen f₁ und f₂ entsprechend Gleichung (8), welche durch die Parameter des Suchkörpers: Durchmesser B, elektrische Leitfähigkeit und relative Permeabilität μ _rel bestimmt sind.

Aus der Tabelle 3, die aus Gleichung (8) berechnet wurde, ergibt sich für die Stahlkugel der Wert μ _{eff real}=0,705 für f₁=2 kHz und μ _{eff real}=0,277 für f₂=20 kHz.

Der fundamentale Unterschied zwischen Gleichung (18) und Gleichung (20) besteht darin, daß der Ausdruck in der runden Klammer von Gleichung (18), welche den Erdbodeneinfluß bei μ<1 auf die Sekundärspule beschreibt, den Wert Null ergibt, während Gleichung (20), welche die Wirkung eines metallischen Suchkörpers auf die Sekundärspule berechnet, in der Klammer die Differenz der (μ _{eff real})-Werte des Suchkörpers bei den beiden Frequenzen des 2-Frequenz-Suchverfahrens enthält, welche nach Tabelle 3 und Gleichung (8) nie Null werden kann.

Ein besonderer Vorteil des 2-Frequenz-Suchverfahrens besteht zusätzlich darin, daß bei ferromagnetischen Suchkörpern die niedrigere Frequenz den höheren (μ _{eff real})-Wert des Suchkörpers ergibt, wie aus Tabelle 3 ersichtlich. Bei nicht-ferromagnetischen Suchkörpern aus Metall dagegen wird der größere Absolutwert von μ _{eff real} bei der höheren Frequenz erhalten. Das ist besonders wichtig, wenn z. B. kleine Zündstifte aus austenitischem Stahl angezeigt werden sollen.

Die Erfindung soll nun an Hand eines Ausführungsbeispieles, das in Fig. 5 als Blockschaltbild dargestellt ist, näher erläutert werden.

Ein Oszillator 1 mit der Frequenz f₁ sowie ein Oszillator 2 mit der Frequenz f₂ wirken gleichzeitig auf einen Summations- und Leistungsverstärker 3. Die beiden Frequenzen f₁ und f₂ stehen zueinander vorzugsweise in einem ganzzahligen und geradzahligen Zahlenverhältnis. Dies kann in einfacher Weise dadurch realisiert sein, daß beide Frequenzen durch Teilung von einer Mutterfrequenz abgeleitet sind. Das Zahlenverhältnis der Frequenzen f₁, f₂ liegt vorzugsweise zwischen 5 und 20. Der Strom aus dem Leistungsverstärker durchfließt eine das Suchfeld erzeugende Primärspule 4. In Serie dazu liegt eine Referenzspule 5. Eine Sekundärspule 7 des Suchtellers, welche zweckmäßig konzentrisch zur Primärspule 4 im Suchteller liegt, wird von einem Teil des magnetischen Flusses der Primärspule durchflossen. Das bewirkt eine Spannung der Sekundärspule 7, die von der Spannung einer zweiten Sekundärspule 6 mit entgegengesetztem Wicklungssinn, welche sich ebenfalls im Feldbereich der Primärspule befindet, kompensiert wird. Daher liegt am Verstärker 8 die Spannung Null, wenn weder das Feld eines Suchkörpers, noch die Felder von magnetisierbarem Erdboden oder Seewasser auf die Sekundärspule 7 wirken.

Befindet sich jedoch der Suchteller über einem Erdboden mit einer Permeabilität μ<1, so wird dieser Erdboden durch das Primärwechselfeld magnetisiert. Der durch das zwei Frequenzen enthaltende Primärfeld magnetisierte Erdboden erzeugt einen magnetischen Kraftfluß, welcher durch die Fläche der Sekundärspule hindurchtritt und in dieser eine aus zwei Frequenzen bestehende elektrische Wechselspannung bewirkt, welche dem Verstärker 8 zugeführt wird. Nach Verstärkung des Frequenzgemisches wird dieses Bandpässen 9 und 10 zugeführt, welche die Frequenzen f₁ und f₂ aus dem Gemisch herausfiltern. Die beiden elektrischen Spannungen mit den Frequenzen f₁ und f₂ werden jeweils durch eine gesteuerte Gleichrichtung 11 und 12 gleichgerichtet und dem Differenzverstärker 14 zugeführt, an dessen Ausgang einerseits eine optische Signalanzeige 17, andererseits ein Tonfrequenzumsetzer 18 mit einem akustischen Signalgeber 19 angeschlossen ist. Wenn die durch die beiden phasengesteuerten Gleichrichter 11 und 12 gleichgerichteten Wechselspannungen mit den beiden Frequenzen f₁ und f₂ in der Amplitude übereinstimmen, d. h. nach der gesteuerten Gleichrichtung als zwei übereinstimmende Gleichspannungen vorliegen, welche auf den Differenzverstärker 14 wirken, gibt der Differenzverstärker an seinem Ausgang kein Signal ab. Das heißt, der Erdboden mit einer Permeabilität μ<1 kommt nicht zur Anzeige.

Die Voraussetzung für die Unterdrückung der Wirkung eines magnetisierbaren Erdbodens auf die Suchgerätanzeige ist dann gegeben, wenn das Produkt aus Stromstärke, Frequenz und Verstärkung, A · I · f, für die Ströme der beiden Frequenzen entsprechend Gleichung (18) gleich ist. Es ist dabei möglich, entweder das Produkt aus Primärstromstärke und Frequenz für beide Frequenzen f₁ und f₂ auf genau den gleichen Wert einzustellen, oder die Verstärkung A nach der gesteuerten Gleichrichtung so zu beeinflussen, daß das Produkt A · f · I für beide Frequenzen gleich wird, um den an sich starken Einfluß eines Erdbodens mit μ<1 vollständig und selbsttätig zu unterdrücken. Dies ist möglich durch ein Einstellglied 13, das im einfachsten Fall aus einem einstellbaren Widerstand bestehen kann.

Die Primärwicklung des Suchtellers hat einen induktiven Widerstand 2 π · f · L und einen Ohmschen Widerstand R. Es ist leicht einzusehen, daß durch eine Änderung des Ohmschen Widerstandes der Primärspule, etwa durch starke Temperaturänderungen, bei einer Frequenz von z. B. 2 kHz stärkere Stromänderungen auftreten müssen als bei einer Frequenz von 20 kHz, wo der induktive Widerstand 2 π · f · L zehnmal größer ist. In Fig. 5 ist deshalb dargestellt, auf welche Weise sich das Produkt A · F · I für beide Frequenzen vollautomatisch auf genau gleiche Werte einregelt. Dies wird folgendermaßen erreicht: Auf der unteren Hälfte von Fig. 5 ist die Schaltung der oberen Hälfte von Verstärker 8 an noch einmal mit genau gleichen Bauelementen wiederholt. Deshalb werden für die untere Schaltung die gleichen Kennzahlen wie bei der oberen Schaltung verwendet, jedoch mit dem Zusatz "a". Während an Verstärker 8 das Signal des Suchkörpers für die beiden Frequenzen f₁ und f₂ liegt, verstärkt Verstärker 8 a eine kleine, durch einen Übertrager 5/7 a aus dem Primärstrom gewonnene Spannung, die sich aus den beiden Frequenzen f₁ und f₂ zusammensetzt. Wenn die beiden Spannungen der sekundären Referenzspule 7 a genau gleich sind, tritt entsprechend dem vorher Ausgeführten am Ausgang des Differenzverstärkers 14 a keine Spannung auf. Wenn jedoch, z. B. durch Temperatureffekte, das Produkt A₁ · f₁ · I₁ nicht mehr gleich A₂ · f₂ · I₂ ist, gibt der Differenzverstärker eine Regelspannung ab, welche im Abstimmkreis 13 den Verstärkungsgrad A₂ so regelt, daß das Produkt A₁ · f₁ · I₁ wieder gleich A₂ · f₂ · I₂ wird.

Das heißt, die Differenz von (f₁ · I₁)-(f₂ · I₂) erzeugt in dem Referenzkreis am Ausgang des Verstärkers 14 a eine Spannung, welche den Verstärkungsgrad A in dem Widerstandsregelkreis 13 so verändert, daß für Signale der Sekundärempfangsspule des Suchtellers das Produkt A₁ · f₁ · I₁ immer gleich dem Produkt A₂ · f₂ · I₂ wird. Die Tatsache, daß die obere Suchgeräteanzeige-Schaltung und die untere Regelschaltung aus genau den gleichen Bauelementen aufgebaut sind, gibt der Gesamtanordnung eine hohe Stabilität gegenüber Temperatureffekten, Betriebsspannungsänderungen usw.

Eine zusätzlich höhere Stabilität gegenüber Temperatureffekten der Bauteile läßt sich erreichen, wenn man die Steuerspannung für die gesteuerte Gleichrichtung mit den Oszillatoren 1, 2 entnimmt, sondern den beiden Bandpässen 9 a und 10 a. Man benutzt dazu Präzisionskomparatoren 15 und 16, deren Ausgangsspannungen unmittelbar zum Steuern der gesteuerten Gleichrichter 11, 11 a bzw. 12, 12 a eingesetzt werden.

Wenn man das Verhältnis der beiden Frequenzen f₁ und f₂ exakt geradzahlig macht, wird bereits ganz ohne Bandpaß eine verhältnismäßig gute Trennung der Effekte der beiden Frequenzen f₁ und f₂ erreicht. Daher werden an die vier Bandpässe keine übermäßig hohen Anforderungen gestellt.

Die voranstehend beschriebene Wirkungsweise des 2-Frequenz-Suchgerätes weist gegenüber anderen Verfahren folgende Vorteile auf:

1) Leicht überschaubare Wirkungsweise aller Kreise. Verhältnismäßig einfacher Aufbau.
2) Automatische Ausregelung der Bedingung: A₁ · f₁ · I₁=A₂ · f₂ · I₂, welche zur vollständigen und selbsttätigen Unterdrückung von Erdbodeneffekten bei μ<1 erforderlich ist.
3) Gleiche Zeitkonstante der f₁ und f₂-Referenz- und Suchkreise. Daher ist es möglich, den Suchteller relativ schnell auf den Boden mit μ<1 aufzusetzen, ohne daß ein Zeigerausschlag für kurze Zeit in Erscheinung tritt.
4) Der dem Suchteil genau nachgebildete Referenzkreis erfüllt zwei wichtige Aufgaben, einmal regelt er das Produkt A₂ · f₂ · I₂ selbsttätig auf den Wert von A₁ · f₁ · I₁ ein, wodurch der Einfluß des magnetisierbaren Erdbodens auf die Suchgeräteempfangsspule vollautomatisch unterdrückt wird. Zum anderen liefert er die Steuerspannungen für die gesteuerte Gleichrichtung 11 und 12, wodurch die Phasendrehung in den Bandpässen 9 und 10 unwirksam wird.
5) Durch das vorher beschriebene Suchverfahren werden nicht nur (μ<1)-Effekte in der Anzeige unterdrückt, sondern auch die so störenden Effekte bei Erdlöchern, Steinen usw.
6) Dieses Verfahren bewirkt daher eine starke Reduzierung der "false rate".
7) Das Verfahren weist durch das Geräteprinzip der vollautomatischen Unterdrückung der Störeffekte: Erdboden mit μ<1 und durch Temperatureffekte verursachte Nullpunktswanderung, eine extrem einfache Bedienung auf.
8) Schließlich ist darauf hinzuweisen, daß das voranstehend beschriebene 2-Frequenz-Suchverfahren im Hinblick auf seine hervorragende Sucheigenschaften einen verhältnismäßig geringen Geräteaufwand benötigt.

Literaturhinweise

|1| Förster, F. und K. Stambke: Theoretische und experimentelle Grundlagen der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung mit Wirbelstromverfahren, III. Z. Metallk. 45 (1954) S. 166.
|2| Förster, F.: Nondestructive Testing Handbook, Section 36, Eddy Current Test Principles (Grundlagen der Wirbelstromprüfung)
und Section 37: Eddy Current Cylinder Tests. (Wirbelstromprüfung von zylindrischen Körpern) New York, The Ronald Press Company (1959).
|3| Förster, F.: Analyse der zerstörenden Werkstoffprüfung mit zerstörungsfreien elektromagnetischen Verfahren.
MATERIALPRÜFUNG Heft 7, (1977), Formeln 16 und 17.
|4| Förster, F.: US Nondestructive Testing Handbook, Section 39, Eddy Current Sphere and Sheet tests (Wirbelstromprüfung von Kugeln und Blechen) New York, the Ronald Press Company (1959)

Tabelle 1:

Anteil des totalen Streuflusses Φ _{tot Spiegel} in Prozent, welcher die Sekundärspule im Suchteller durchdringt, in Abhängigkeit von dem Abstand des Suchtellers von der Erdoberfläche

Tabelle 2:

Fehlspannung durch die magnetische Permeabilität des Erdbodens in der Sekundärempfängerspule des Suchtellers in Abhängigkeit vom Abstand des Suchtellers vom Erdboden für verschiedene Permeabilitätswerte.

Tabelle 3:

Auswertung von μ _{eff real} und μ _{eff imag} einer Stahlkugel in Abhängigkeit von der Frequenz f der Primärspule des Suchtellers.

Tabelle 4:

Verhältnis der Erdbodenfehlspannung für μ =1,18 zur Nutzspannung der Suchanzeige durch eine Stahlkugel in Abhängigkeit von dem Abstand des Suchtellers vom Erdboden bzw. von der Kugel.

Tabelle 5:

Berechnung der durch eine Stahlkugel erzeugten elektrischen Spannung in der sekundären Empfangsspule

Claims

1. Suchgerät zum Suchen von Metallteilen in Medien wie dem Erdboden, dem Wasser oder dem Seeboden, mit einer gegenüber diesen Medien beweglichen Suchspulenanordnung, bestehend aus einer primären Erregerspulenanordnung zum Aufbauen eines magnetischen Wechselfeldes und einer sekundären Empfängerspulenanordnung zum Empfangen von elektrischen Signalen, die auf Grund von vom Wechselfeld ausgelösten Rückwirkungen der zu suchenden Metallteile in der Empfängerspulenanordnung induziert werden, mit einer an die primäre Erregerspulenanordung angeschlossenen Wechselstromquelle zum Einspeisen eines elektrischen Wechselstromes in die Erregerspulenanordnung, mit einer an die Empfängerspulenanordnung angeschlossenen Auswerteschaltung bestehend aus Verstärkungsmitteln, einer phasengesteuerten Gleichrichtung und einer Anzeigeeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß von der Wechselstromquelle (1, 2) zwei Wechselströme I₁, I₂ unterschiedlicher Frequenzen f₁, f₂ eingespeist werden, daß für jede Frequenz f₁, f₂ getrennte phasengesteuerte Gleichrichter (11, 12) vorgesehen sind, die in der 90°-Richtung der komplexen Ebene gesteuert werden, daß die Ausgangsspannungen der phasengesteuerten Gleichrichter (11, 12) einem differenzbildenden Glied (14) zugeführt werden, dessen Ausgang mit dem Eingang der Anzeigeeinrichtung (17, 18, 19) verbunden ist und daß die Gesamtverstärkung A₁, A₂ der Signale beider Frequenzen f₁, f₂, die Erregerwechselströme I₁, I₂ und die Frequenzen f₁, f₂ so zu wählen sind, daß A₁ · I₁ · f₁ = A₂ · I₂ · f₂ist.

2. Suchgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zahlenverhältnis der beiden Frequenzen f₁ und f₂ zwischen 5 und 20 liegt.

3. Suchgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Zahlenverhältnis der beiden Frequenzen f₁ und f₂ ganzzahlig und geradzahlig ist.

4. Suchgerät nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Frequenzen f ₁ und f ₂ miteinander synchronisiert sind, z. B. dadurch, daß sie von einer gemeinsamen Mutterfrequenz durch Teilung abgeleitet sind.

5. Suchgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für die Signale einer der beiden Frequenzen f₁ oder f₂ ein Einstellglied (13) vorgesehen ist, mit dessen Hilfe die Verstärkung A₁ oder A₂ verändert werden kann.

6. Suchgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Einstellglied (13) hinter einem der beiden phasengesteuerten Gleichrichter (11, 12) angeordnet ist.

7. Suchgerät nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Einstellglied (13) elektronisch steuerbar ist.

8. Suchgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß den beiden phasengesteuerten Gleichrichtern (11, 12) Bandpässe (9, 10) vorgeschaltet sind, die auf die Mittenfrequenzen f₁, f₂ abgestimmt sind.

9. Suchgerät nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzlicher gleichaufgebauter Satz von Verarbeitungsgliedern, bestehend aus Bandpaß (9 a, 10 a) und phasengesteuerten Gleichrichter (11 a, 12 a), für jede der beiden Frequenzen f₁ und f₂ bereitgestellt wird, daß dieser Satz von einem aus den Primärströmen I₁, I₂ abgeleiteten Signal gespeist wird, daß die Ausgangsgleichspannung des Satzes einem differenzbildenden Glied (14 a) zugeführt werden und daß dessen Ausgangsspannung zur Steuerung des Einstellgliedes (13) benutzt wird.

10. Suchgerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Ausgangsspannungen der Bandpässe (9 a, 10 a) des zusätzlichen Satzes von Verarbeitungsgliedern die Steuerspannungen der phasengesteuerten Gleichrichter (11, 12, 11 a, 12 a) gebildet wird.