DE3936278C2 - Metalldetektorvorrichtung - Google Patents
MetalldetektorvorrichtungInfo
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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 lm, cer sich wie folgt darstellen läßt:
lm = ( - jwMlt)/(Rm + jwLm),
worin
j = gedachte Einheit
w = Winkelfrequenz (2Πf)
M = Gegenseitige Induktivität von Sendespule und Anpaßeinheit
lt = Sendestrom
Rm = Widerstand der Feldanpaßeinheit
Lm = Induktivität der Feldanpaßeinheit.
lm = ( - jwMlt)/(Rm + jwLm),
worin
j = gedachte Einheit
w = Winkelfrequenz (2Πf)
M = Gegenseitige Induktivität von Sendespule und Anpaßeinheit
lt = Sendestrom
Rm = Widerstand der Feldanpaßeinheit
Lm = Induktivität der Feldanpaßeinheit.
Wenn der Faktor wLm merklich größer ist als der Faktor Rm,
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 Rm 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.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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1991
- 1991-02-04 US US07/649,175 patent/US5121105A/en not_active Expired - Lifetime
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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Legal Events
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