DE3936278C2 - Metalldetektorvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Metalldetektorvorrichtung zum Nachweis von Metallobjekten in einem die Vorrichtung pas­ sierenden Material oder Gegenstand mittels eines durch Wir­ belströme induzierten Magnetfeldes.

Bei normalen Sicherheitsanwendungen der gegenwärtig übli­ chen Metalldetektoren, beispielsweise bei der Sicherheits­ kontrolle an Flugplätzen, entsteht das größte Problem aus falschem Alarm, den harmlose Objekte hervorrufen. Die Emp­ findlichkeit der Vorrichtung ist im allgemeinen so einge­ stellt, daß eine gegebene Prüfwaffe immer den Alarm aus­ löst, gleichgültig wo und wie sie sich innerhalb des Durch­ ganges befindet. Die Empfindlichkeit ist also immer ent­ sprechend dem am wenigsten empfindlichen Punkt im Durchgang oder Tor eingestellt. An anderer Stelle im Tor kann hinge­ gen die Empfindlichkeit erheblich höher als die genannte Mindestempfindlichkeit sein, und dann verursachen kleine und harmlose Objekte Fehlalarm. Um Fehlalarm auf ein Mini­ mum einzuschränken, spielt die Gleichmäßigkeit der Empfind­ lichkeitsverteilung im Tor eine wesentliche Rolle.

Bei einem von der Anmelderin entwickelten Metalldetektor ist versucht worden, die Empfindlichkeitsverteilung durch intensivere Spulenplanung und mittels eines spezifischen, patentierten (FI-Patent 74 822) Doppelspulensystems aus­ zugleichen. Die Spulenanordnungen beruhen auf einer rech­ nergestützten Planung, bei der verschiedene Spulenausfüh­ rungsformen im Wege der Simulation geprüft werden. Zusätz­ lich zur Empfindlichkeitsverteilung sind auch andere An­ forderungen für die Spulen eines Metalldetektors festge­ legt, beispielsweise gewisse elektrische Parameter, eine beschränkte Größe, die Herstellungskosten sowie die Fähig­ keit, externe Störungen auszuschalten. Das endgültige Er­ gebnis kann also allein durch Spulenplanung nicht wesent­ lich verbessert werden.

Die US 4,012,690 zeigt eine Sendespulenanordnung, die beidsei­ tig von einer Empfangsspulenanordnung umgeben ist. Sende- als auch Empfangsspulen umgeben den Detektionsbereich als geschlos­ sene Spule. Bei dieser Anordnung ist außerhalb des Detektions­ bereiches ein metallisches Element vorgesehen, das in Richtung auf eine der beiden Empfangsspulenanordnungen ausgelenkt werden kann, um auf diese Weise eine Vorspannung zwischen beiden Emp­ fangsspulen zu erzeugen. Diese Vorspannung soll dazu dienen, die Signale relativ kleiner Metallgegenstände zu unterdrücken und auf der anderen Seite in Verbindung des Vorspannungssignals mit relativ kleinen Spulen nahe dem Element die selektive De­ tektierung von magnetischen und nicht-magnetischen Metallen zu verbessern.

Aufgabe der Erfindung ist es, unter Vermeidung einiger der Nachteile des Standes der Technik eine verbesserte Detek­ torvorrichtung für Metallobjekte zu schaffen, mit der durch harmlose Objekte verursachter Fehlalarm wesentlich redu­ ziert werden kann.

Die wesentlichen neuen Merkmale der Erfindung gehen aus An­ spruch 1 hervor.

Gemäß der Erfindung wird vorteilhafterweise bei dem Spulen­ system beispielsweise gemäß der finnischen Patentschrift 74 822 oder einem ähnlichen Spulensystem, welches eine Sen­ despulenanordnung und eine entsprechende Empfangsspulenan­ ordnung aufweist, oder in der Nähe eines solchen Spulensy­ stems ein elektrisch leitfähiges und/oder magnetisches Ele­ ment angeordnet, mit dessen Hilfe das örtliche und/oder chronologische Verhalten des Magnetfeldes der Spule ein­ stellbar ist. Ein Beispiel für ein solches passives Magnet­ feldanpaßglied ist beispielsweise eine Kurzschlußschleife, mit der passive Komponenten, beispielsweise ein Wider­ standskondensator und/oder eine Spule verbunden werden kann. Als passive Feldanpaßeinheiten können auch Metall­ platten benutzt werden.

Aus Gründen der Einfachheit soll als Beispiel eine Kurz­ schlußschleife betrachtet werden, die in der Nähe einer Sendespule angeordnet ist. Der in der Schleife induzierte Strom ist l_m, cer sich wie folgt darstellen läßt:
l_m = ( - jwMl_t)/(R_m + jwL_m),
worin
j = gedachte Einheit
w = Winkelfrequenz (2Πf)
M = Gegenseitige Induktivität von Sendespule und Anpaßeinheit
l_t = Sendestrom
R_m = Widerstand der Feldanpaßeinheit
L_m = Induktivität der Feldanpaßeinheit.

Wenn der Faktor wL_m merklich größer ist als der Faktor R_m, ist zu beachten, daß der in der Feldanpaßeinheit induzierte Strom nicht von der Frequenz abhängig ist und die gleiche Phase (oder die entgegengesetzte Phase) hat wie der Sende­ strom. In Metalldetektorvorrichtungen kann dies beispiels­ weise dadurch erreicht werden, daß ein Kupferleiter mit einem Durchmesser von 8 bis 12 mm benutzt wird. In Fällen, in denen der Ausdruck R_m im Nenner der Gleichung (1) bemer­ kenswert ist, weicht die Phase des in der Anpaßeinheit in­ duzierten Stroms von der Phase des Sendestroms ab. Eine solche Situation kann in einem Metalldetektor durch die An­ ordnung einer Kurzschlußschleife aus einem ausreichend dün­ nen Draht oder durch das Zusammenkoppeln der Enden der Schleife mittels eines Widerstandes erreicht werden.

In dem vorstehenden Beispiel wurde eine Kurzschlußschleife als ein Beispiel einer Feldanpaßeinheit betrachtet. Eine aus einer Metallplatte bestehende Anpaßeinheit verhält sich ähnlich. Ist die Platte dünn, so verursacht die Anpaßein­ heit eine Phasenverschiebung. Ist die Platte dick, so wird die Phase durch die Anpaßeinheit nicht verschoben.

Gemäß dem allgemeinen Prinzip der Reziprozität beim Elek­ tromagnetismus arbeitet die Anpaßeinheit auch dann gemäß der vorstehenden Beschreibung, wenn sie in der Nähe der Empfangsspule angeordnet ist. Tatsächlich beeinflußt die Anpaßeinheit immer den Betrieb sowohl der Sende- als auch der Empfangsspule. Wenn nötig, können mehrere Anpaßeinhei­ ten in einem einzigen Metalldetektor benutzt werden.

Bei den passiven Feldanpaßeinheiten ist nach zwei haupt­ sächlichen Typen zu unterscheiden, nämlich denen, die die Phase verschieben und denen, die das nicht tun. Bei den die Phase nicht verschiebenden Anpaßeinheiten ist der in ihnen induzierte Strom immer in Phase mit dem Strom der eigentli­ chen Spule, so daß in diesem Fall die Feldanpaßeinheit wirksam nur die Spulengeometrie ändert. Diese Art von Feldanpaßeinheit läßt sich beispielsweise zum Glätten der Empfindlichkeitsverteilung des Metalldetektors in Querrich­ tung der Detektorvorrichtung benutzen.

Um von harmlosen Objekten verursachten Fehlalarm zu vermei­ den, im vorliegenden Fall Fehlalarm unter dem Gesichtspunkt der Sicherheit, sollte in manchen Fällen die Empfindlich­ keit der Metalldetektorvorrichtung örtlich reduziert sein. Das gilt beispielsweise für solche Abwandlungen, bei denen viele Menschen, die die Metalldetektorvorrichtung durchlau­ fen, metallverstärkte Sicherheitsschuhe tragen. In diesem Fall sind die unteren Teile der Spulen mit einer Metall­ platte versehen, welche die Spulen bedeckt und die Magnet­ felder kurzschließt. Eine solche Platte besteht beispiels­ weise als Aluminium.

Wie aus der vorstehenden Beschreibung hervorgeht, beein­ flußt die Feldanpaßeinheit auch die Phase des Feldes, vor­ ausgesetzt, daß der induzierte Strom nicht die gleiche Phase hat wie der Spulenstrom. Somit kann die Synchronisie­ rung eines impulsbetriebenen Metalldetektors örtlich an der Feldanpaßeinheit eingestellt werden. Infolgedessen kann das beispielsweise durch nichtmagnetische Objekte, wie alumini­ umhaltige Gegenstände verursachte Ansprechen örtlich ver­ ringert werden.

Nachfolgend wird die Erfindung mit vorteilhaften Einzelhei­ ten anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläu­ tert. In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines bevorzugten Ausführungsbei­ spiels der Erfindung;

Fig. 2 ein Seitenansicht eines weiteren bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Wirkung des in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiels auf die Empfind­ lichkeitsverteilung der Empfangsspule; und

Fig. 4 eine weitere Darstellung eines bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiels der Erfindung als axonometrische Dar­ stellung.

Wie aus Fig. 1 zu entnehmen ist, befindet sich im wesentli­ chen in der Nähe einer Sendespulenanordnung 1 der Metallde­ tektorvorrichtung und im wesentlichen parallel zur Spulen­ anordnung ein Element 2, welches gegenüber der Sendespulen­ anordnung 1 elektrisch isoliert und beispielsweise aus einem Kupferdraht mit einem Durchmesser von 10 mm herge­ stellt ist. Der von der Sendespulenanordnung 1 in diesem Element 2 induzierte Strom befindet sich folglich in Phase mit dem Sendestrom, so daß der Einfluß des Elementes 2 die Geometrie der Sendespulenanordnung 1 und damit auch die Empfindlichkeitsverteilung der Metalldetektorvorrichtung ändert.

Bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist im we­ sentlichen in der Nähe einer Empfangsspulenanordnung 3 des Metalldetektors und im wesentlichen parallel zu dieser Spu­ lenanordnung ein Element 4 vorgesehen, welches gegenüber der Empfangsspulenanordnung 3 elektrisch isoliert und bei­ spielsweise aus Aluminiumfolie einer Dicke von 10 bis 100 µm hergestellt ist, je nach dem, wie groß der ge­ wünschte Einfluß des Elementes 4 ist, welches als Feldan­ paßeinheit dient. Da das Element 4 dünn ist, hat der in ihm induzierte Strom eine andere Phase als der Sendestrom der Empfangsspulenanordnung 3, so daß das Element 4 gleichzei­ tig auch die Phase des Magnetfeldes verschiebt. Diese vom Element 4 verursachte Phasenverschiebung wird mit Vorteil beispielsweise dann genutzt, wenn das Ansprechen auf den Metalldetektor durchlaufende Aluminiumobjekten reduziert werden soll.

Fig. 3 ist eine schematische Darstellung des Einflusses, den das bevorzugte Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 auf die Empfindlichkeitsänderung hat bei einem eisenhaltigen Gegen­ stand 13 und bei einem aluminiumhaltigen Gegenstand 14, und zwar als Funktion der Verzögerung, wenn die Phase des Ma­ gnetfeldes verschoben wird. Wenn der Erkennungsort, nämlich ein Meßfenster 15, derselbe bleibt ohne Phasenverschiebung beim Ver­ gleich mit der Situation mit Phasenverschiebung, so zeigt Fig. 3, daß die mit gestrichelten Linien wiedergegebenen Kurven, nämlich die Kurven 16 und 17, die sich von den Kur­ ven 13 und 14 in der Phasenverschiebung unterscheiden, eine Ansprechänderung am Meßfenster hervorrufen. Diese Änderung ist bei aluminiumhaltigen Gegenständen 14 kleiner und bei eisenhaltigen Gegenständen 13 größer als bei Messungen, die ohne Phasenverschiebung durchgeführt werden.

Im Fall von Fig. 4 ist die Feldanpaßeinheit 5 gemäß der Er­ findung in dem Raum zwischen einer Sendespulenanordnung 6 und einer Empfangsspulenanordnung 7 des Metalldetektors in dessen Nachweiszone, vorteilhafterweise im unteren Teil der Detektorvorrichtung und im wesentlichen rechtwinklig zu den Spulenanordnungen vorgesehen. Das Element 5, welches hier die Feldanpaßeinheit bildet, besteht vorzugsweise aus einer Aluminiumplatte einer Dicke von 2 bis 5 mm. Mit Hilfe die­ ses Elementes wird die parallel zum Element 5 verlaufende Komponente 8 des Magnetfeldes verdoppelt, und gleichzeitig verschwindet die dazu rechtwinklige Komponente 9 des Ma­ gnetfeldes von der Oberfläche des Gegenstandes. Wenn in dem Raum zwischen der Sendespulenanordnung 6 und der Empfangs­ spulenanordnung 7 beispielsweise eine aus Metalldraht be­ stehende Schleife anstatt des plattenförmigen Elements 5 vorgesehen wird, kann auch die normale Komponente des Ma­ gnetfeldes für den Nachweis herangezogen werden. Um die in Fig. 4 gezeigte Metalldetektorvorrichtung in Betrieb zu nehmen, muß eine Stromversorgungseinheit 10 vorgesehen sein, die den elektrischen Strom in die Sendespulenanord­ nung 6 leitet. Ferner muß die Empfangsspulenanordnung 7 mit einer Signalverarbeitungseinrichtung und einer Warneinrich­ tung 12 elektrisch verbunden sein, damit mindestens uner­ wünschte Metallobjekte nachgewiesen werden können.

Auch wenn in der vorstehenden Beschreibung verschiedene be­ vorzugte Ausführungsbeispiele anhand getrennter Zeichnungen erläutert wurden, können diese doch auf verschiedene Weise je nach der gewünschten Empfindlichkeitsverteilung des Me­ talldetektors kombiniert werden.

Claims (11)

1. Metalldetektorvorrichtung mit einer Sendespulenanordnung (1; 6) und einer Empfangsspulenanordnung (3; 7), die beidseitig eines Detektionsbereiches angeordnet sind, wobei die Sendespu­ lenanordnung zur Erzeugung von Primärfeldern in dem Detektions­ bereich vorgesehen ist, die ihre Richtung und Größe als Funk­ tion des Ortes ändern und ihrerseits Wirbelströme in einem sich in den Primärfeldern bewegenden Objekt erzeugen, während das Sekundärfeld des Objekts ein Signal für die Empfangsspulenan­ ordnung erzeugt, und mit Einrichtungen (11, 12) zum Verstärken und Weiterverarbeiten der Signale, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Sendespulenanordnung (1; 6) und der Emp­ fangsspulenanordnung (3; 7) in Richtung auf den Detektionsbe­ reich der Metalldetektorvorrichtung mindestens ein elektrisch isoliertes aber elektrisch leitfähiges und/oder magnetisches Element (2; 4; 5) angeordnet ist, um die Empfindlichkeitsvertei­ lung des Metalldetektors im Detektionsbereich gleichmäßig ein­ zustellen.

2. Metalldetektorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (2; 4; 5) im wesentlichen in der Nähe der Sen­ despulenanordnung (1; 6) angeordnet ist.

3. Metalldetektorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (2; 4; 5) im wesentlichen in der Nähe der Emp­ fangsspulenanordnung (3; 7) angeordnet ist.

4. Metalldetektorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (2; 4; 5) im wesentlichen parallel zu der Spu­ lenanordnung eingebaut ist.

5. Metalldetektorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (2; 4; 5) in einer im wesentlichen senkrechten Position in bezug auf die Spulenanordnung eingebaut ist.

6. Metalldetektorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (2; 4; 5) schleifenartige Gestalt hat.

7. Metalldetektorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (2; 4; 5) plattenartige Form hat.

9. Metalldetektorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (2; 4; 5) derart ausgebildet ist, daß die Emp­ findlichkeitsverteilung des Metalldetektors durch die Spulen­ geometrie änderbar ist.

9. Metalldetektorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (2; 4; 5) derart ausgebildet ist, daß die Emp­ findlichkeitsverteilung des Metalldetektors durch die Phase des Magnetfeldes änderbar ist.

10. Metalldetektorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (2; 4; 5) aus Kupfer hergestellt ist.

11. Metalldetektorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (2; 4; 5) aus Aluminium hergestellt ist.