DE4333121A1 - Ortungssystem mit einem Magnetometer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Ortungssystem mit einem Magnetometer gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Zum Orten von im Erdreich befindlichen magnetischen Gegenständen werden Magnetometer verwendet, deren ermittelte Meßwerte in Diagrammen darstellbar sind. Beim Meßvorgang schreitet eine das Magnetometer tragende Person (Meßgänger) eine Meßstrecke ab, wobei die Daten Meßstreckenabhängig festgehalten werden. In einem Diagramm können auf diese Weise mehrere parallel nebeneinander abgeschrittene Meßstrecken mit dem zugehörigen Meßwerteverlauf dargestellt werden.

Aus der DE 39 22 303 A1 ist ein Ortungssystem mit einem Magnetometer bekannt, mit dem in annähernd gleichen Wegabständen ortsabhängige Meßwerte einzelner Meßstrecken in einem Speicher abgelegt werden und somit meßstreckenbezogen dargestellt werden können. Die Genauigkeit der Darstellung hängt im wesentlichen davon ab, wie genau die Meßwerte der jeweiligen Meßposition zugeordnet werden können. Damit eine möglichst genaue Zuordnung möglich ist, kann dem Meßgänger eine Schrittfrequenz in Form eines akustischen oder visuellen Signals vorgegeben werden. Beim Ablaufen der Meßstrecke versucht der Meßgänger synchron zur vorgegebenen Schrittfrequenz zu gehen und dabei eine möglichst konstante Schrittlänge einzuhalten. Aus der Schrittlänge kann in Verbindung mit der vorgegebenen Schrittfrequenz die jeweilige Position des Meßgängers und damit der Magnetometer-Sonde annähernd errechnet werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine genauere Zuordnung der ermittelten Meßwerte über die gesamte Meßstrecke zu ermöglichen.

Die Lösung dieser Aufgabe erhält man durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale. An einer Leine, die am Boden der Meßstrecke gerade ausgelegt sein kann, ist eine Vielzahl von detektierbaren Abstandsgebern in definierten Abständen aufgereiht. Ein am Magnetometer angebrachter Sensor erzeugt ein Streckensignal beim Überstreichen der Abstandsgeber. Eine Meßeinrichtung kann somit anhand des zeitlichen Aufeinanderfolgens der Streckensignale die Geschwindigkeit ermitteln, mit der die Magnetometer-Sonde entlang der Meßstrecke geführt wird. Dabei kann zusätzlich ein Schrittfrequenzsignal an dem Magnetometer abgestrahlt werden, damit der Meßgänger eine konstante Trittfrequenz und damit eine möglichst konstante Geschwindigkeit einhalten kann. Ob mit oder ohne Schrittfrequenzsignal kann durch die Abstandsgeber eine sehr exakte Bestimmung von Meßstreckenanfang und Meßstreckenende erfolgen, was bei herkömmlichen Ortungssystemen stets problematisch ist. Die Durchschnittsgeschwindigkeit des Meßgängers kann das erfindungsgemäße System grundsätzlich auch ohne Schrittfrequenzsignal ermitteln, wobei sogar auch Geschwindigkeitsschwankungen festgestellt und somit im Meßprotokoll berücksichtigt werden können.

Die Meßwerte werden vom Magnetometer in einem exakten Zeitraster aufgenommen. Die spätere Zuordnung der Meßsignale auf den jeweiligen Streckenabschnitt erfolgt im Zusammenhang mit den Abstandsgebern. Innerhalb der Meßstrecke werden eine bestimmte Anzahl von Meßwerten bei korrekter Gehgeschwindigkeit erwartet. Werden innerhalb der Meßstrecke mehr oder weniger Meßwerte aufgenommen, werden diese durch Interpolieren auf die erwartete Anzahl von Meßwerten umgerechnet. Die Meßwertaufnahme und die Abstandsgeberaufnahme sind getrennte Empfangsdaten.

Als Abstandsgeber werden vorzugsweise elektrische Schwingkreise verwendet, die aus einer Schwingkreisspule, und einem Kondensator bestehen. Einliegend in einem Kunststoffgehäuse können die Abstandsgeber an einem durchgehenden Band in gleichmäßigen Abständen aufgereiht sein. Bei Versuchen wurde jedoch eine unterbrochene Leine mit großem Erfolg verwendet, wobei exakt gleichgroße Leinenabschnitte zwischen den Abstandsgebern befestigt worden sind. An dem Kunststoffgehäuse der Abstandsgeber waren hierzu Befestigungsschlitze an gegenüberliegenden Seiten ausgebildet, wodurch eine Befestigung in definiertem Abstand möglich wurde.

Bei einem Schwingkreis als Abstandsgeber kann ebenfalls ein entsprechender Schwingkreis eines Oszillators als Sensor dienen, der im Bereich der Magnetometer-Sonde angeordnet ist. Auf diese Weise wird eine exakte örtliche Zuordnung zwischen Abstandsgeber und Magnetometer-Sonde möglich. Beim Annähern des Sensors mit dem Schwingkreis erfolgt eine Frequenzverstimmung oder Amplitudenänderung am Oszillator, die als Detektorsignal zur Erzeugung eines Streckensignals verwendet wird. Zu diesem Zweck kann beispielsweise die Oszillatorspannung über einen Gleichrichter und einen Verstärker einem Komparator zugeführt werden, der bei Auftreten einer Spannungsänderung ein Taktsignal abgibt. Die Resonanzfrequenzen des Schwingkreises und des Oszillators liegen vorzugsweise im Kiloherz-Bereich und sind gleich. Gute Meßergebnisse wurden bei Resonanzfrequenzen im Bereich zwischen 12 kH und 18 kH festgestellt, wobei die Schwingkreisspule einen Durchmesser von etwa 5 cm hatte. Vorzugsweise liegt der Frequenzbereich über 100 Hz und außerhalb der Arbeitsfrequenz und ihrer Oberwellen des Magnetometers.

Die vom Detektor abgegebenen Taktsignale geben der Meßeinrichtung bei Überschreiten des ersten Abstandsgebers den Meßbeginn an. Bei Überschreiten des letzten Abstandsgebers stellt die Meßeinrichtung das Erreichen der Ende der Meßstrecke fest. Durch die genaue Bestimmung von Beginn und Ende der Meßstrecke wird insgesamt eine genauere Zuordnung der Meßergebnisse über den gesamten Meßstreckenverlauf möglich.

In einem Zähler können die Taktsignale gezählt werden, der den Meßbeginn und das Meßende bei Erreichen entsprechender Zählerstände signalisiert.

Die Meßeinrichtung kann anhand der zeitlichen Abfolge der Taktsignale und bei Kenntnis der Abstände der Abstandsgeber die Meßergebnisse den tatsächlichen Meßpositionen sehr genau zuordnen. Auf diese Weise erhält man Diagramme, die eine sehr genaue Bestimmung von im Erdreich befindlichen magnetischen Gegenständen ermöglichen.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind in den Abstandsgebern aktive elektronische Bauelemente zur Abgabe einer Information über die Position des jeweiligen Abstandsgebers an den Sensor vorgesehen. Die Information kann beispielsweise in der Angabe oder Erkennungsmöglichkeit der Spalte und Reihe, in der der jeweilige Abstandsgeber sich befindet, bestehen. Dabei induziert das Feld der Magnometer-Sonde in der Schwingkreisspule oder einer gesonderten Spule im Abstandsgeber eine Spannung, die die elektronischen Bauelemente mit Energie versorgt, so daß die Abgabe einer Information über die Position möglich ist. Dies kann beispielsweise derart erfolgen, daß bei Annäherung des Sensors an den jeweiligen Abstandsgeber eine Gleichrichterschaltung die in dem Abstandsgeber induzierte Spannung gleichrichtet und an eine elektronische Identifikationsschaltung gibt, die in Abhängigkeit einer in einem Speicher abgespeicherten Abstandsgeber-Kennung den Schwingkreis beeinflußt. Die Beeinflussung kann erfolgen, indem der Schwingkreis durch die Identifikationsschaltung in Abhängigkeit der in dem Speicher abgespeicherten Abstandsgeber-Kennung den Schwingkreis in einer individuellen Kurzschlußfolge kurzschließt. Diese Änderungen beeinflussen die Frequenzverstimmung oder Amplitudenänderung am Oszillator und können daher von der Meßeinrichtung erkannt und einem bestimmten Abstandsgeber zugeordnet werden. Vorteilhafterweise sind die elektronischen Bauelemente in einem Chip realisiert, der sowohl die aktiven elektronischen Bauelemente als auch die Speichermittel enthält. Derartige Chips sind im Handel erhältlich.

Mit dieser Ausführungsform wird die Sicherheit des Systems noch wesentlich verbessert. Damit werden Ungenauigkeiten verhindert, die beim Ausfall von Abstandsgebern entstehen, weil die Position des nächsten funktionierenden Abstandsgebers anhand der Abstandsgeber-Kennung wieder zugeordnet werden kann. Dadurch, daß jeder Abstandsgeber in der Lage ist, eine Information über seine Position, wie Reihe und Spalte, anzugeben, kann das System jedem Abstandsgeber seine exakte Position zuordnen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 das Ortungssystem bestehend aus einem Magnetometer und einer Leine mit Abstandsgebern,

Fig. 2 eine gegenüber Fig. 1 vergrößerte Darstellung eines Abstandsgebers mit zugeordnetem Sensor,

Fig. 3 die Draufsicht auf den in einem Gehäuse befindlichen Abstandsgeber gemäß Fig. 2,

Fig. 4 ein Blockschaltbild des Detektors zur Erzeugung eines Detektorsignals beim Überstreichen eines Abstandsgebers und

Fig. 5 ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung der Funktion des in Fig. 3 verwendeten Chips mit Identifikationsschaltung.

Das in Fig. 1 dargestellte Ortungssystem besteht aus einem Magnetometer 1 und einer Leine 2 mit Abstandsgebern 3, die in gleichen Abständen aufgereiht sind. Die Leine 2 mit den Abstandsgebern 3 liegt langgestreckt auf der Fahrtoberfläche 4 entlang einer geraden Meßstrecke auf.

Das Magnetometer 1 wird von einem Meßgänger, der hier nicht dargestellt ist, in dem gezeigten Abstand zur Erdoberfläche 4 getragen. An der Vorderseite des Magnetometers 1 besitzt dieses ein senkrecht nach unten weisendes Sensorenrohr 5, in welchem Magnetometer-Sensoren 6, 7 einliegen. Die Magnetometer-Sensoren 6, 7 messen in ansich bekannter Weise den Feldstärkeverlauf des Erdmagnetfeldes, der durch im Erdreich befindliche magnetische Gegenstände beeinflußt ist. In einer Meßeinrichtung 8 werden die Meßdaten festgehalten um in einer Anzeige oder über einen Drucker angezeigt werden zu können. Die Messung der Feldstärke ist nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung, weshalb hierauf nicht näher eingegangen wird. In der DE 39 22 303 A1 sind hierzu nähere Angaben gemacht.

Am unteren Ende des Sensorenrohrs 5 ist eine Spule 9 waagerecht angeordnet, die Teil eines Schwingkreises eines Oszillators ist, der als Sensor 10 eines Detektors 11 dient. Der Detektor 11 kann auch in der Meßeinrichtung 8 integriert sein.

Die Abstandsgeber 3 bestehen aus einem Schwingkreis mit ebenfalls einer Schwingkreisspule 12 und einem Kondensator.

Die Schwingkreisspule 12 hat den gleichen Durchmesser wie die Spule 9. Außerdem ist der Schwingkreis, welcher den Sensor 10 bildet, auf die gleiche Resonanzfrequenz abgestimmt wie der als Abstandsgeber 3 dienende Schwingkreis.

In Fig. 2 ist das untere Ende des Sensorenrohrs 5 mit dem daran befestigten Sensor 10 und der einliegenden Spule 9 vergrößert dargestellt. Leitungen 13 führen zum Detektor 11.

Die Schwingkreisspule 12 liegt in einem Kunststoffgehäuse 14 ein, welches zu beiden Enden Befestigungsschlitze 15, 16 hat. Durch den Befestigungsschlitz 16 ist ein Band 17 geführt, dessen Ende zu einer Schlaufe vernäht ist. Das Band 17 bildet eine definierte Verbindung zum angrenzenden Abstandsgeber.

Der Abstand 18 zwischen Sensor 10 und Abstandsgeber 3 kann etwa zwischen 5 und 20 cm betragen. Der Durchmesser der Spule 9 und der Schwingkreisspule 12 ist gleich und kann beispielsweise 5 bis 6 cm betragen.

Fig. 3 zeigt die Draufsicht auf einen Abstandsgeber 3, in dessen Kunststoffgehäuse 14 die Schwingkreisspule 12 und der Kondensator 20 des Schwingkreises und der Chip 33 einliegen. Bei dem Chip 33 handelt es sich um einen im Handel erhältlichen intelligenten Chip, der in der Lage ist, die in einer Spule induzierte Spannung gleichzurichten und mittels einer elektronischen Identifikationsschaltung in Abhängigkeit der in einem Speicher gespeicherten Information den Schwingkreis zu beeinflussen. Der Speicher ist ebenfalls in dem Chip 33 integriert.

Der in Fig. 4 dargestellte Detektor besteht aus einem Oszillator 21, der als Schwingkreisspule die in Fig. 1 dargestellte Spule 9 besitzt. Dis Oszillatorspannung wird über einen Gleichrichter 22 einem Verstärker 23 zugeführt, dessen Ausgangsspannung mittels eines Komparators 24 und mittels eines nachgeschalteten Zeitglieds 25 in ein Taktsignal umgewandelt wird, welches einen Impuls 26 immer dann aufweist, wenn der Oszillator 21 mit dem Sensor 10 (Fig. 1) über einen Abstandsgeber 3 geführt wird. Der im Abstandsgeber 3 enthaltene Schwingkreis 27 bewirkt nämlich eine Spannungsänderung am Ausgang des Oszillators 21, die zur Erzeugung des Taktimpulses 26 verwendet wird.

Das am Ausgang des Zeitglieds 25 auftretende Taktsignal T gelangt über eine Leitung 28 an den Eingang eines Zählers 29, der über einen Frequenzteiler 30 ein Start-Stop-Signal am Ausgang 31 erzeugt. Ein Zählerrückstellglied 32 ermöglicht eine automatische oder manuelle Rücksetzung des Zählers. Der Zähler 29 wird ansonsten von der Datenaufnahmeeinheit 8 gesteuert um beispielsweise gewünschte Zählerstände einzugeben. Über den Ausgang 31 erhält die Datenaufnahmeeinheit 8 das Start-Stop-Signal.

Die Abstandsgeber können grundsätzlich auch ohne Leine in gleichen Abständen ausgelegt werden. Anstelle von Schwingkreisen können auch Platten, Folien oder dergleichen aus nicht-eisenhaltigem Material verwendet werden, um eine permanente Kontrolle der Abstände und Korrektur der Meßwertzuordnung bei falscher Gehgeschwindigkeit vornehmen zu können. Dies kann durch Veränderung des internen Takts der Meßeinrichtung 8 erfolgen.

Das Blockschaltbild von Fig. 5 veranschaulicht die Funktion des Chips 33 von Fig. 3, der hier mit strichpunktierter Linie markiert ist. Der Chip 33 beinhaltet einen Gleichrichter 34, dem RC-Glied 35 nachgeschaltet ist, welches eine Versorgungsspannung U an eine Steuereinheit 36 liefert. Die Energie wird von einer ersten Spule 37 zur Verfügung gestellt, die ein elektromagnetisches Signal einer Sende- und Empfangseinrichtung 43, die zusätzlich am Magnetometer 1 angebracht ist, empfängt, so daß in der Spule 37 eine Spannung induziert wird.

Die Steuereinheit 36 ruft aus einem Speicher 38 eine dort abgelegte, individuelle Abstandsgeber-Kennung ab. Ein der Steuereinheit 36 nachgeschalteter Modulator 39 gibt an eine Sendespule 40 ein Modulationssignal ab, welches durch die Abstandsgeber-Kennung gekennzeichnet ist. Das von der Sendespule 40 abgestrahlte Signal kann in der Sende- und Empfangseinrichtung 43 empfangen werden, wodurch die Auswerteelektronik 44 der Sende- und Empfangseinrichtung die Abstandsgeber-Kennung feststellen kann. Die Abstandsgeber-Kennung gibt beispielsweise die Nummer der Reihe und die Nummer des Abstandsgebers an, wodurch eine exakte Zuordnung des jeweiligen Abstandsgebers zu den ermittelten Meßwerten im Meßprotokoll möglich ist.

Im Zusammenhang mit Fig. 3 wurde von einer Identifikationsschaltung gesprochen, die in Fig. 5 durch die Steuereinheit 36, den Speicher 38 und den Modulator 39 repräsentiert wird.

Claims (16)

1. Ortungssystem mit einem Magnetometer zum Orten von im Erdreich befindlichen magnetischen Gegenständen, bei dem während einer Messung ein Meßgänger entlang einer Leine eine Magnetometer-Sonde über eine Meßstrecke führt, deren Meßsignale von einer elektronischen Meßeinrichtung unter Berücksichtigung der Geschwindigkeit des Meßgängers festgehalten werden, dadurch gekenn­ zeichnet, daß an der Leine (2) eine Vielzahl von detektierbaren Abstandsgebern (3) in definierten Abständen ausgelegt oder an einer Leine aufgereiht ist, daß an der Magnetometer-Sonde (1) ein Sensor (10) eines Detektors (11) angeordnet ist, der jeweils ein Streckensignal an die Meßeinrichtung (8) abgibt, wenn sein Sensor (10) während der Messung, einen Abstandsgeber (3) überstreicht, und daß die Meßeinrichtung (8) die Geschwindigkeit des Sensors (10) anhand des zeitlichen Verlaufs des Auftreffens der Streckensignale berechnet und bei auftretenden Geschwindigkeitsschwankungen die Verteilung der Meßwerte korrigiert.

2. Ortungssystem nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß während der Messung ein akustisches oder optisches Signal, welches mit konstanter Frequenz periodisch auftritt, als Sollfrequenz für die Schrittfrequenz des Meßgängers von der Magnetometer-Sonde (1) ausgesendet wird.

3. Ortungssystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Abstandsgeber (3) jeweils ein Kunststoffgehäuse (14) haben, das an den gegenüberliegenden Seiten Befestigungselemente (15, 16) zur Befestigung eines sich zwischen den Abstandsgebern (3) erstreckenden Bandes (17) haben.

4. Ortungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Abstandsgeber (3) Platten oder Folien aus nicht­ eisenhaltigem Material oder elektrische Schwingkreise, bestehend aus jeweils einer Schwingkreisspule (12) und einem Kondensator (20), in einem gemeinsamen Kunststoffgehäuse (14) angeordnet sind, daß als Sensor (10) der Schwingkreis eines Oszillators (21) dient, und daß die beim Annähern des Sensors (10) an die Abstandsgeber (3) auftretende Frequenzverstimmung oder Amplitudenänderung als Detektorsignal vorgesehen ist.

5. Ortungssystem nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Resonanzfrequenzen der Schwingkreise von Abstandsgeber (3) und Sensor (10) gleich sind und im Frequenzbereich über 100 Hz liegen.

6. Ortungssystem nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Resonanzfrequenz außerhalb der Arbeitsfrequenz und ihrer Oberwellen des Magnetometers liegt.

7. Ortungssystem nach einem der Ansprüche 4 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die Schwingkreisspulen (9, 12) des Sensors (10) und des Abstandsgebers (3) gleichgroß sind.

8. Ortungssystem nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Durchmesser der Schwingkreisspulen (9, 12) ungefähr 5 cm beträgt.

9. Ortungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorsignale jeweils in Taktsignale (T) umgesetzt werden, die den Meßbeginn bei Auftreten des ersten Taktsignals und das Meßende bei Auftreten einer vorgegebenen Anzahl von Taktsignalen definieren.

10. Ortungssystem nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein rücksetzbarer Zähler (29) die Taktsignale (T) zählt und bei einem vorgegebenen ersten Zählerstand den Meßbeginn und bei einem vorgegebenen zweiten Zählerstand das Meßende der Meßeinrichtung (8) signalisiert.

11. Ortungssystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß in den Abstandsgebern (3) Speichermittel, die eine Information über die Position des jeweiligen Abstandsgebers enthalten sowie elektronische Identifikationsschaltung zur Weitergabe der Position an den Sensor (10) angeordnet sind.

12. Ortungssystem nach Anspruch 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß bei Annäherung des Sensors (10) an den jeweiligen Abstandsgeber (3) die elektronischen Identifikationsschaltungen in Abhängigkeit von der in einem Speicher abgelegten Information den Schwingkreis beeinflussen.

13. Ortungssystem nach Anspruch 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Identifikationsschal­ tungen den Schwingkreis kurzschließen oder eine Sendespule (40) modulieren.

14. Ortungssystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß in den Abstandsgebern (3) ein Chip (33) angeordnet ist, der die elektronischen Schaltkreise und die Speichermittel enthält.

15. Ortungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß beim korrekten Überstreichen eines Abstandsgebers (3) ein zusätzlicher Kontrollton am Magnetometer abgegeben wird.

16. Ortungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Leine für die Abstandsgeber (3) ein ansich herkömmliches Maßband verwendet wird, auf das die Abstandsgeber (3) aufgeklebt sind.