DE3727416A1 - Verfahren und vorrichtung zur detektion von metallobjekten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Detektion von Metallobjekten, wobei die Gegeninduktivität zwischen einem Sender und einem Empfänger derartig kompensiert werden kann, daß sie im wesentlichen gleich null wird und wobei gleichzeitig die Empfindlichkeit gegenüber mechanischer Störung, wie dem Klappern oder Rasseln der Vorrichtung verringert werden kann.

Bei der Verwirklichung eines impulsbetätigten Metalldetektors ist es allgemein üblich, ein sogenanntes Meßfenster zu benutzen, welches mit Hilfe der Meßverzögerung und Zeit bestimmt wird. Das Meßfenster wird benutzt, um die Wirbelströme zu messen, die durch das Abschalten des Senderstroms erzeugt werden. Für viele Stoffe ist es charakteristisch, daß das Messen mit der kürzestmöglichen Verzögerung das stärkste Signal ergibt. In vielen Fällen verursacht jedoch die Gegeninduktivität zwischen dem Sender und Empfänger eine sogenannte Spitze des Grenzbereichs, die erheblich höher liegt als das wirksame Signal. Aufgrund dieser hohen Spitze des Grenzbereichs darf folglich die Meßverzögerung nicht sehr kurz sein.

Die Gegeninduktivität zwischen dem Sender und dem Empfänger, die die Spitze des Grenzbereichs verursacht, kann beispielsweise durch Verwendung einer in Fig. 1 gezeigten Anordnung kompensiert werden. Bei dieser Anordnung ist zwischen einem Sender 1 und einem Empfänger 2 ein Ausgleichsschaltkreis 3 gebildet, der zusätzlich zu Spulen 4 noch Widerstände R₁ und R₂ aufweist. Um die Gegeninduktivität zwischen dem Sender und dem Empfänger gemäß Fig. 1 widerlegbar zu machen, müssen die Widerstände R₁ und R₂ des Ausgleichschaltkreises so gewählt werden, daß folgende Bedingung erfüllt ist:

worin M_LV = Gegeninduktivität zwischen Sender und Empfänger und M_k = Gegeninduktivität des Ausgleichschaltkreises. Die Blindwiderstände der Spulen 4 sind niedrig in bezug auf den Widerstand zwischen R₁+R₂.

Obwohl die Gegeninduktivität zwischen dem Sender und dem Empfänger mittels der in Fig. 1 gezeigten Anordnung auf null kompensiert werden kann, wäre es in einem praktischen Anwendungsfall wegen der in der Gegeninduktivität auftretenden Schwankungen nötig, jeden Metalldetektor an Ort und Stelle abzustimmen. In diesem Fall könnten die Widerstände R₁ und R₂ des Ausgleichsschaltkreises erst am Ort des Einsatzes bestimmt werden. Bei der Anordnung gemäß Fig. 1 ergibt sich auch insofern ein Problem, als irreversible Änderungen der Gestalt oder Lage der Spulen den Betrieb der Vorrichtung verhindern und folglich die Notwendigkeit für erneute Kompensation hervorrufen könnten.

Aufgabe der Erfindung ist es, unter Ausschalten einiger der Nachteile des Standes der Technik ein neues, verbessertes und sichereres, impulsbetätigtes Verfahren und eine ebensolche Vorrichtung zur Detektion von Metallobjekten zu schaffen, so daß durch Ausschalten der durch die Impulstechnik und äußere Störung verursachten Nachteile das Signal/Stör-Verhältnis der Vorrichtung verbessert werden kann, was gleichzeitig die Identifizierung von Stoffen verbessert.

Die wesentlichen neuen Merkmale der Erfindung gehen aus den Patentansprüchen hervor.

Gemäß der Erfindung wird die Notwendigkeit zur Abstimmung gemäß dem Stand der Technik in vorteilhafter Weise vermieden, so daß die Kompensation der Gegeninduktivität zwischen dem Sender und dem Empfänger als ein im wesentlichen kontinuierliches, automatisches Verfahren unter Zuhilfenahme der Steuerung mittels Mikroprozessor durchgeführt wird. Damit ist es auch möglich, das Meßfenster, d. h. die gewünschte Meßfolge innerhalb des Grenzbereichs des Senderstroms zu legen, d. h. in die Nähe der Spitze des Grenzbereichs des Senderstroms. Da sich die von verschiedenen Stoffen ausgesandten wirksamen Signale im wesentlichen unmittelbar während der Änderung des Senderstroms zu bilden beginnen, können Messungen selbst dann in der kontinuierlich betriebenen Gegeninduktivitätskompensation vorgenommen werden, wenn die wirksamen Signale von verschiedenen Stoffen ihren höchsten Wert haben. Die in den Signaldetektor- und Verarbeitungsgliedern des Metalldetektors eingestellten kritischen Warngrenzen können innerhalb des Bereichs der wirksamen Signale gemäß einer gewünschten, erkennbaren Komponente bestimmt werden. Da jedoch jede mögliche mechanische Störung, beispielsweise Klirren, Rattern und Vibration die zu messenden Signale innerhalb des Grenzbereichs des Senderstroms beeinträchtigen kann, ist es von Vorteil, das Meßfenster so anzuordnen, daß es außerhalb des wirksamen Gebiets des Grenzbereichs des Senderstroms bleibt, d. h. außerhalb der wirksamen Zone der Spitze des Grenzbereichs. Die kritische Warngrenze für dieses außerhalb der Spitze des Grenzbereichs angeordneten Meßfensters muß jedoch so gewählt werden, daß sie tiefer liegt als innerhalb der Reichweite der Spitze des Grenzbereichs, da der Signalpegel der wirksamen Signale bei einer langen Meßverzögerung wesentlich absinkt. Es ist leicht möglich, die Größe und den Ort der Meßfenster, d. h. der Meßfolgen mit Vorteil unabhängig voneinander zu wählen, und zwar sowohl bei einer kurzen als auch bei einer langen Meßverzögerung.

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung wird vorteilhafterweise betätigt, um Metallobjekte festzustellen, so daß bei einem Überschreiten der kritischen Warngrenze, die als Identifizierungsparameter in dem außerhalb des Grenzbereichs des Senderstroms liegenden Meßfenster dient, die kritische Warngrenze gleichfalls in dem Meßfenster innerhalb des Grenzbereichs des Senderstroms überschritten wird, ehe die Vorrichtung ein eigentliches Warnsignal abgibt. Die Überschreitungsrate der Warngrenze, die für ein Warnsignal während der Meßfolgen nötig ist, welche innerhalb der Reichweite der Spitze des Grenzbereichs liegen, kann vorteilhafterweise entweder so bestimmt werden, daß jedes Überschreiten der Warngrenze für eine Warnung ausreicht oder daß innerhalb der Reichweite der Spitze des Grenzbereichs die Warngrenze in einem Ausmaß überschritten werden muß, welches mit dem Ausmaß des Überschreitens vergleichbar ist, das außerhalb der Reichweite der Spitze des Grenzbereichs stattfindet. Damit kann erfindungsgemäß ein durch äußere Störung hervorgerufener falscher Alarm im wesentlichen vermieden werden. Was die genannte Störung betrifft, so ist durch die benutzten Warngrenzen, die sich innerhalb und außerhalb des Grenzbereichs des Senderstroms unterscheiden, sichergestellt, daß selbst wenn die Warngrenze außerhalb des Grenzbereichs überschritten werden sollte, auch die Warngrenze innerhalb des Grenzbereichs überschritten werden muß, beispielsweise um das gleiche Ausmaß, unabhängig von einem wesentlich höheren Alarmpegel.

Bei Anwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung kann auch das Warnsignal verursachende Material für Zwecke der Klassifizierung identifiziert werden. Da beispielsweise die von magnetischen und nichtmagnetischen Stoffen verursachten wirksamen Signale in der Gestalt innerhalb der Reichweite der Spitze des Grenzbereichs wesentlich abweichen, kann die Art des Stoffs, der das Signal hervorgerufen hat, anhand des Verhältnisses der Signale abgeleitet werden, wenn mindestens zwei Meßfolgen innerhalb der Reichweite der Spitze des Grenzbereichs benutzt werden.

Im folgenden ist die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten anhand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 eine bekannte Anordnung zum Kompensieren der Gegeninduktivität zwischen einem Sender und einem Empfänger;

Fig. 2 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Anordnung gemäß der Erfindung zum Kompensieren der Gegeninduktivität zwischen einem Sender und einem Empfänger;

Fig. 3 eine Darstellung zur Erläuterung eines vorteilhaften Ortes der Meßfenster auf der Zeitachse gemäß der Erfindung sowie von für verschiedene Meßfenster vorteilhaften Warngrenzen während einer Änderung des Senderstroms auf den Höhe/Zeit-Koordinaten des Signals;

Fig. 4 eine Darstellung zur Erläuterung eines anderen Ortes der Meßfenster auf der Zeitachse gemäß der Erfindung sowie von für verschiedene Meßfenster vorteilhaften entsprechenden Warngrenzen während der Änderung des Senderstroms auf den Höhe/Zeit- Koordinaten des Signals.

Auf Fig. 1 wurde bereits im Zusammenhang mit der Beschreibung des Standes der Technik eingegangen.

Bei der in Fig. 2 gezeigten Anordnung gemäß der Erfindung ist zwischen einem Sendersystem 13 und einem Empfängersystem 14 ein multiplizierender Digital/Analog-Umsetzer 16 angeordnet, der mittels Mikroprozessorsteuerung 15 gesteuert wird, um die Gegeninduktivität M_LV zwischen einem Sender 11 und einem Empfänger 12 kontinuierlich und automatisch zu kompensieren. Der D/A-Umsetzer 16 ist mit dem Sender- und Empfängersystem 13 bzw. 14 durch Zwischenschalten eines Transformators 17 und eines Summierverstärkers 18 verbunden. Um den Ausgleich auf vorteilhafte Weise durchführen zu können, wird ein Entzerrer 19 zur Korrektur des Frequenzganges der Signale benutzt, die mittels der Gegeninduktivitäten M_LV und M_k an den Summierverstärker 18 angeschlossen sind, so daß sich im wesentlichen die gleichen Frequenzgänge ergeben.

In Fig. 3 sind auf Signalhöhe/Zeit-Koordinaten schematisch wirksame Signale 31, 32 und 33 für verschiedene metallhaltige Stoffe eingetragen, wobei die Zeit t = 0 dem Beginn des Abschaltens des Senderstroms entspricht. Während des Abschaltens des Senderstroms beginnt sich eine Spitze des Grenzbereichs aufgrund des Abschaltens auszubilden; diese Spitze ist durch eine gestrichelte Linie 34 angededeutet. Da die Spitze 34 des Grenzbereichs merklich höher liegt als die Spitzen der wirksamen Signale, ist in der Darstellung gemäß Fig. 3 aus Gründen der Klarheit die äußerste Spitze dieser Spitze 34 des Grenzbereichs nicht dargestellt. Gemäß der Erfindung liegen innerhalb der Reichweite der Spitze 34 des Grenzbereichs, d. h. innerhalb des Grenzbereichs des Senderstroms, mit anderen Worten auf der Zeitachse gemäß Fig. 3 im Intervall von Punkt t = 0 bis zum Punkt A, Meßfolgen 21 und 22. Ferner ist im wesentlichen außerhalb der Reichweite der Spitze 34 des Grenzbereichs eine Meßfolge 23 angeordnet. Wenn das Verfahren gemäß der Erfindung auf vorteilhafte Weise angewandt wird, liegt die Warngrenze, die für das Meßfenster bzw. die Meßfolge 23 eingestellt ist, welche mit langer Meßverzögerung nach dem Abschalten des Senderstroms betätigt wird und außerhalb des Grenzbereichs liegt, wesentlich tiefer als die Warngrenze, die für die Meßfolgen 21 und 22 eingestellt ist, welche mit kurzer Meßverzögerung durchgeführt werden und innerhalb des Grenzbereichs des Senderstroms liegen. Dies ist durch horizontale Linien 35, 36 und 37 in Fig. 3 gezeigt.

Wenn gemäß der Erfindung die durch ein zu untersuchendes Objekt verursachten Signale mit einer Vorrichtung gemessen werden, die mit Impulstechnik arbeitet, ist es vorteilhaft, mindestens zwei Meßfolgen 21 und 22 zu benutzen, die innerhalb des Grenzbereichs liegen, sowie eine außerhalb des Grenzbereichs liegende Meßfolge 23. Die erhaltenen Meßergebnisse werden vorteilhafterweise beispielsweise in der Mikroprozessorsteuerung 15 aufgezeichnet, wo ein Vergleich mit den vorherbestimmten Warngrenzen 35, 36 und 37 durchgeführt wird. Wenn die hinsichtlich des absoluten Wertes im wesentlichen einen niedrigen Pegel aufweisende Warngrenze, die während der Meßfolge 23 mit der langen Meßverzögerung eingestellt ist, überschritten wird, werden die Meßergebnisse der Meßfolgen 21 und 22 mit der kurzen Meßverzögerung mit den hinsichtlich des absoluten Wertes im wesentlichen einen hohen Pegel aufweisenden Warngrenzen verglichen. Wenn die Warngrenze sowohl während der Meßfolge 23 mit der langen Meßverzögerung als auch während mindestens einer der Meßfolgen 21 und 22 mit der kurzen Meßverzögerung überschritten wird, gibt die Vorrichtung ein Warnsignal ab. Mit Hilfe der innerhalb des Grenzbereichs des Senderstroms liegenden Meßfolgen 21 und 22 kann auch Auskunft über das festzustellende Material erhalten werden, wenn die empfangenen Meßergebnisse mit den Charakteristiken der durch verschiedene Stoffe verursachten wirksamen Signale verglichen werden.

Fig. 4 zeigt einen anderen Anwendungsfall des Ortes der Meßfolgen der durch verschiedene Stoffe verursachten wirksamen Signale innerhalb der Reichweite der Spitze 34 des Grenzbereichs gemäß Fig. 3. Bei dem in Fig.4 gezeigten Ausführungsbeispiel ist eine der Meßfolgen innerhalb der Reichweite der Spitze 34 des Grenzbereichs, nämlich eine Meßfolge 22 a so ausgedehnt, daß sie die Meßfolge 21 teilweise überlappt. Diese Änderung der Meßfolge kann es gleichzeitig nötig machen, die Warngrenze zu verändern. In Fig. 4 ist die neue Warngrenze mit 36 a angedeutet.

Claims (9)

1. Verfahren zum Verbessern des Signal/Stör- Verhältnisses und der Materialidentifizierung in einer Metalldetektorvorrichtung, die zum Feststellen von Metallobjekten mit Impulstechniken arbeitet und einen Ausgleichschaltkreis, der zwischen dem Sendersystem und dem Empfängersystem eingestellt ist, um die Gegeninduktivität zwischen dem Sender und dem Empfänger zu kompensieren, sowie Glieder zum Feststellen und Weiterverarbeiten der von den Metallobjekten verursachten Signale aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgleichschaltkreis so ausgelegt ist, daß er so arbeitet, daß das von den Metallobjekten verursachte Signal während mindestens zwei Meßfolgen (21, 22), die innerhalb der Reichweite der Spitze des Grenzbereichs des Senderstroms liegen, und während mindestens einer Meßfolge (23) meßbar ist, die außerhalb der Reichweite der Spitze des Meßbereichs des Senderstroms liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgleichschaltkreis von einem Mikroprozessor (15) gesteuert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgleichschaltkreis so ausgelegt ist, daß er auf im wesentlichen kontinuierliche Weise betätigt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß während der innerhalb der Reichweite der Spitze des Grenzbereichs liegenden Meßfolgen (21, 22) der Signalpegel wesentlich höher ist als während der außerhalb der Reichweite der Spitze des Grenzbereichs liegenden Meßfolge (23).

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Detektion von Metallobjekten das von Metallobjekten verursachte Signal sowohl während der außerhalb der Reichweite der Spitze des Grenzbereichs des Senderstroms liegenden Meßfolge (23) als auch während mindestens einer der Meßfolgen (21, 22) wahrnehmbar ist, die innerhalb der Reichweite der Spitze des Grenzbereichs des Senderstroms liegt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Detektion von Metallobjekten das von einem Metallobjekt verursachte Signal die als Identifizierungsparameter benutzte, voreingestellte Warngrenze sowohl während der Meßfolge (23), die außerhalb der Reichweite der Spitze des Grenzbereichs liegt, als auch während mindestens einer der Meßfolgen (21, 22) überschreiten muß, die innerhalb der Reichweite der Spitze des Grenzbereichs liegen, wobei die Warngrenze eine Größe hat, die in einem Verhältnis vergleichbar zu dem während der Folge (23) außerhalb der Reichweite der Spitze des Grenzbereichs gemessenen Signals ist.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Detektion von Metallobjekten das von den Metallobjekten verursachte Signal die als Identifizierungsparameter dienende, voreingestellte Warngrenze sowohl während der Meßfolge (23) außerhalb der Reichweite der Spitze des Grenzbereichs als auch während mindestens einer der Meßfolgen (21, 22) übersteigen muß, die innerhalb der Reichweite der Spitze des Grenzbereichs liegen, wobei die Warngrenze in dieser Folge direkt vergleichbar ist mit dem Signal, welches während der außerhalb der Reichweite der Spitze des Grenzbereichs liegenden Folge (23) gemessen wird.

8. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgleichsschaltkreis einen Digital/Analog-Umsetzer (16) und einen Entzerrer (19) aufweist, die zwischen ein Sendersystem (13) und ein Empfängersystem (14) geschaltet sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der D/A-Umsetzer (16) an einen Mikroprozessor (15) angeschlossen ist.