DE4338436A1 - Metalldetektor mit mehrpoligen Wicklungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Metalldetektor mit mehrpoligen Wicklungen, der im Eingangsbereich von Räumlichkeiten angeordnet wird, die vor dem Zutritt bewaffneter Personen zu schützen sind, und für andere Anwendungen beim Aufspüren von metallischen Gegenständen.

Der Stand der Technik auf dem Gebiet der Metalldetektoren für Durchgänge ist aus der sukzessiven Benutzung einer Technik entstanden, die es ermöglicht hat, die Detektoren laufend zu verbessern, sowohl in bezug auf die Zuverlässigkeit der Detektion, als auch in bezug auf ihre Kompatibilität mit ihrer unmittelbaren Umgebung, welche elektromagnetische Störungen oder Beeinträchtigungen verursachen könnte.

Die Entwicklung hatte zur Folge, daß sich die Hersteller mehr und mehr auf Übertrager mit mehrpoligen Wicklungen konzentriert haben, welche die beste Kompatibilität mit metallischen Strukturen und umliegenden Quellen elektrischer Störungen aufweisen.

Des weiteren wurde von verschiedenen Herstellern ein Metalldetektor entwickelt, der mit einem oder mehreren Sendern und/oder einem oder mehreren Feldempfängern ausgestattet ist, in dem die Sender-Empfänger-Paare so ausgelegt sind, daß sie simultan oder in verschiedenen Zeitintervallen arbeiten.

Eine andere bekannte Lösung, die sich auf die finnische Patentanmeldung Nr. 81 3502 und das US-Patent Nr. 3758849 bezieht, sieht die Verwendung von zwei Spulenpaaren vor, die prinzipiell gleich und paarweise einander überkreuzend angeordnet sind, wobei jedes Paar eine Sender- und eine Empfängerspule umfaßt. In der Lösung, die in dem finnischen Patent Nr. 81 3502 dargelegt ist, sind einzelne passierende metallische Körper, insbesondere lange dünne Strukturen, die in Richtung eines der zwei Wicklungspaare angeordnet sind, automatisch senkrecht zu dem anderen ausgerichtet, und erzeugen daher immer ein starkes Signal in mindestens einer der Empfängerwicklungen.

Aus Symmetriegründen ist diese Lösung nicht ideal für die Verbesserung der Detektion von Körpern, wie den oben angesprochenen, die Bereiche minimaler Feldstärke in dem überwachten Durchgang passieren. Dieser Nachteil wird mit der Erfindung überwunden, die Gegenstand der deutschen Patentanmeldung P 42 40 921.7 des gleichen Anmelders. Sie ermöglicht es, infolge der symmetrischen Höhenverteilung der Sender- und Empfängerwicklungen, die minimalen Signale des magnetischen Feldes einer Wicklung, insbesondere die kleinste Feldstärke am Boden und an der Decke des überwachten Durchganges, mit dem stärksten Signal der anderen zu kompensieren. Die bekannten Lösungen einschließlich der oben aufgeführten, in denen mehrpolige Wicklungen verwendet werden, haben einen schwerwiegenden Nachteil, der darauf zurückzuführen ist, daß der gleichzeitige Durchgang von zwei oder mehr metallischen Körpern unter bestimmten Voraussetzungen ein Empfangssignal erzeugt, das viel schwächer ist als das, welches durch den Durchgang eines einzelnen metallischen Körpers erzeugt wird. Das geschieht z. B. immer dann, wenn zwei metallische Körper gleichzeitig passieren, die beide eine reziproke Position einnehmen bzw. reziprok beabstandet sind, so daß in Abhängigkeit von der Struktur der Wicklungen jeder Körper eine Veränderung der Eingangssignale bewirkt, die der durch den anderen Körper bewirkten entgegengesetzt ist. Das bedeutet auf mehrpolige Wicklungen übertragen, die eine Reihe alternierend entgegengesetzter Pole aufweisen, daß die resultierende Veränderung der elektromotorischen Kraft (EMK) in der Gesamtheit der Wicklungen, die auf den gleichzeitigen Durchgang von zwei Körpern ansprechen, die entgegengesetzten Polen entsprechen, auf ein Minimum herabgesetzt bzw. aufgehoben wird.

Das gleiche Phänomen tritt auch dann auf, wenn mehr als zwei metallische Körper in reziproker Position passieren, so daß jeder Körper eine Signalveränderung bewirkt, wobei die algebraische Summe der Signalveränderungen minimal ist.

Daher reicht eine Empfindlichkeitseinstellung, die dazu bestimmt ist, einen einzelnen Körper aufzuspüren, wie in dem aufgezeigten Fall nicht aus, den gleichzeitigen Durchgang von zwei oder mehreren Körpern zu verhindern.

Noch bedeutender ist die Tatsache, daß mit den bekannten Metalldetektoren, wenn die reziproke Position, die benötigt wird, um den oben beschriebenen Effekt zu erzeugen, einmal gefunden ist, durch das Beibehalten des Abstandes zwischen den Körpern und durch das Bewegen dieser bei der Beförderung auf einer vertikalen Ebene durch den Durchgang, der resultierende Effekt der Minimierung im wesentlichen bestehen bleibt.

Es ist daher klar, daß unendlich viele Gruppierungen von Durchgangsbahnen existieren, die auf einer vertikalen Ebene verlaufen und die Verringerung des resultierenden Signals verursachen, das von mehreren Körpern ausgelöst wird. Aus diesem Grund wird, wenn diese Bahnen, die das minimale Signal in den Windungen erzeugen und der Abstand, mit dem diese Körper auseinandergehalten werden sollten, erst einmal herausgefunden worden sind, das Passieren der Körper durch den von dem Metalldetektor kontrollierten Durchgang garantiert nicht mehr registriert.

Folglich können die bekannten Metalldetektoren mit einem oder zwei Paaren prinzipiell gleichen sich kreuzenden Wicklungen den Durchgang eines einzelnen metallischen Körpers detektieren, dessen Masse einen kalibrierten Wert überschreitet, weisen aber Schwachstellen auf, wenn zwei metallische Körper gleicher Gestalt gleichzeitig in einem Abstand passieren, bei dem ein minimales Signal erzeugt wird und der im folgenden als "pitch" bezeichnet wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer geometrischen Anordnung und Ausrichtung der Wicklungspaare, die es ermöglichen, sowohl den Durchgang eines einzelnen metallischen Körpers als auch den Durchgang von mehr als einem metallischen Körper zu detektieren, egal wie sie angeordnet sind, so daß die Neutralisationseffekte, die bei bekannten Metalldetektoren mit mehrpoligen Wicklungen auftreten, eliminiert werden.

Die technische Lösung, welche die oben beschriebenen schwerwiegenden Nachteile der vorhandenen Detektoren beseitigt, sieht die Verwendung von zwei oder mehr mehrpoligen Sender- Empfänger- (Tx-Rx)-Wicklungspaaren vor, die sich kreuzen können, und die durch eine unterschiedliche Anzahl von Polen gekennzeichnet sind, so daß die unterschiedlichen Tx-Rx-Paare unterschiedliche pitches "d" mit einem minimalen Signal aufweisen, so daß passierende metallische Körper, wenn sie in einem minimalen Signalabstand für ein Tx-Rx-Paar angeordnet sind, sich nicht in einem minimalen Signalabstand für das oder die anderen Paare befinden, so daß die Wicklungspaare auf diese Weise den Durchgang dieser metallischen Körper detektieren.

Eine technische Lösung dieser Art ermöglicht es, den Durchgang von einem und/oder den gleichzeitigen Durchgang von mehreren Körpern zu detektieren und beseitigt so die Mängel der bestehenden Detektoren mit mehrpoligen Wicklungen. Die Erfindung wird im folgenden detailliert beschrieben unter Bezugnahme auf eine bevorzugte Ausführungsform mit zwei Paaren sich kreuzender Wicklungen, die beispielhaft in den Zeichnungen gezeigt sind, die als Anlage beigefügt sind.

Es zeigen:

Fig. 1 eine einzelne ebene mehrpolige Wicklung und außerdem zwei Bahnen A und B, entlang welcher zwei gleiche metallische Körper C passieren,

Fig. 2 im einzelnen in drei kartesischen Diagrammen zwei Signale, die durch zwei gleiche Massen C beim Passieren entlang der Bahnen A und B (siehe Fig. 1) in den Wicklungen induziert werden, außerdem das resultierende Signal aus diesen, wenn zwei Körper gleichzeitig passieren,

Fig. 3 zwei sich kreuzende und überlappende ebene Wicklungen mit einer gleichen Anzahl von Polen des heute bekannten Typs, wobei die eine durch eine durchgezogene Linie und die andere durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist, und die zwei Bahnen A und B,

Fig. 4 im einzelnen in drei kartesischen Diagrammen das Signal, das durch den Körper, der die Bahn A beschreibt, in den zwei Wicklungen induziert wird, das Signal, das durch den Körper, der die Bahn B beschreibt, in den zwei Wicklungen induziert wird, außerdem das resultierende Signal, das durch das gleichzeitige Passieren von zwei Körpern in den Wicklungen induziert wird,

Fig. 5 zwei sich kreuz ende und überlappende ebene Wicklungen mit einer unterschiedlichen Anzahl von Polen, außerdem Bahnen A1, B1 und A2, B2 in Abständen oder pitches "d1" und "d2", wobei ein Paar von Körpern, das z. B. die ersten beiden Bahnen beschreibt, ein resultierendes minimales Signal in der ersten Wicklung induziert, aber nicht in der zweiten und umgekehrt.

In den erläuternden Zeichnungen bezeichnet die Nummer 1 die erste mehrpolige Wicklung; 2, die zweite mehrpolige Wicklung, die im wesentlichen die gleiche wie die erste ist, diese aber kreuzt; A ist die erste Bahn eines störenden Körpers C; B ist die zweite Bahn eines störenden Körpers c, der identisch mit dem ersten ist. EA ist das Signal, das durch das Passieren des ersten Körpers entlang der Bahn A (siehe Fig. 1) erzeugt wird. EB ist das Signal, das durch das Passieren des zweiten Körpers entlang der Bahn B (siehe Fig. 1) erzeugt wird. EAB ist das resultierende Signal, das sich aus der algebraischen Summe der Signale EA und EB ergibt; 5 stellt die mehrpolige (fünfpolige) Wicklung dar, die in Fig. 5 gezeigt ist, 6 die dreipolige, die in Fig. 5 gezeigt ist.

In den Diagrammen in Fig. 4 stellen EA1 und EA2 jeweils die Signale dar, die durch den Körper, der die Bahn A beschreibt, in den zwei Wicklungen 1 und 2 (siehe Fig. 3) induziert werden; EB1 und EB2 sind die Signale, die durch den Körper, der die Bahn B beschreibt, in den zwei Wicklungen 1 und 2 induziert werden; EAB1 und EAB2 sind die resultierenden Signale, die in den Wicklungen 1 und 2 durch die Körper, die gleichzeitig die Bahnen A und B beschreiben, induziert werden.

Zur Veranschaulichung des Vorstehenden, kann z. B. ein Körper C (siehe Fig. 1) herangezogen werden, der zur Vereinfachung eine kugelförmige Gestalt aufweist, und der den Durchgang, der durch einen Metalldetektor mit einem einzelnen Sender und einem einzelnen Empfänger überwacht wird, entlang der Bahn A passiert. In diesem Fall tritt das Signal EA (siehe Fig. 2) auf, das in der Wicklung 1 induziert wird und das auf den Durchgang des Körpers C auf der Bahn A zurückzuführen ist. Der gleiche Körper c, der auf der Bahn B passiert, induziert in der Empfängerwicklung eine Veränderung der elektromotorischen Kraft (EMK), die in der Fig. 2 als Signal EB dargestellt ist. Die Fig. 1 und 2 verdeutlichen, daß die Benutzung der speziell ausgewählten Bahnen Veränderungen der induzierten Signale bewirkt, die beinahe gleiche Stärke und entgegengesetzte Polarität aufweisen.

Der gleichzeitige Durchgang der Kugeln C, die beide auf der gleichen Vertikalen angeordnet sind, und die zwei Bahnen A und B beschreiben, erzeugt deshalb die in Fig. 2 gezeigte EAB- Änderung in Form der algebraischen Summe der EA- und EB- Änderungen, wobei das Ergebnis fast Null ist.

Das Phänomen der Abschwächung bzw. Aufhebung wiederholt sich regelmäßig, wenn die zwei metallischen Körper C wiederum gleichzeitig zwei beliebige Bahnen durchlaufen, solange der Abstand oder pitch "d", der vertikal zwischen den Bahnen A und B gemessen wird, konstant bleibt.

Fig. 3 zeigt beispielhaft die zwei Bahnen A, B im Abstand "d" in einem Durchgang, der von einem Metalldetektor mit zwei Paaren gekreuzter Sender- und Empfängerwicklungen überwacht wird, die beide von der in Fig. 1 dargestellten Art sind.

Die Signaländerungen, die durch das Passieren der Körper C erzeugt werden, bleiben in dem Sinne unverändert, als die Signale EA1 und EB1 in den Wicklungen 1 induziert werden, während die Signale EA2 und EB2 in den Wicklungen 2 induziert werden, die gleich den ersten und mit diesen gekreuzt sind, wobei die Signale betragsmäßig gleich sind aber umgekehrte Vorzeichen aufweisen, mit dem Ergebnis, daß die EAB1- und EAB2- Signale entweder Null oder minimale Werte ergeben.

Identische Ergebnisse können mit metallischen Körpern erzielt werden, die eine andere Gestalt als eine Kugel aufweisen und die auf den gleichen Bahnen oder in einem Abstand passieren, der ein ungerades Vielfaches des pitches "d" ist, der zwischen den Bahnen A und B gemessen worden ist (siehe Fig. 1 und 3), vorausgesetzt, daß sich beide Körper in dem Raum bewegen, der von den Metalldetektorwicklungen abgedeckt wird.

Die Erfindung, die es ermöglicht, die Neutralisationseffekte zu beseitigen, die hier beschrieben sind, beruht auf der Vermeidung der prinzipiell symmetrischen Anordnung der Sender- Empfänger-Wicklungspaare in dem Metalldetektor, der den Durchgang überwacht. Erfindungsgemäß sind zwei oder mehr Sender-Empfänger-Wicklungen überlappend und/oder benachbart angeordnet, wobei mindestens ein Sender-Empfänger-Paar im Vergleich zu den anderen Paaren eine unterschiedliche Anzahl von Polen aufweist, oder die Wicklungen bei einer gleichen Anzahl von Polen bezogen auf die geometrischen Abmessungen und/oder die Feldstärke unterschiedlich verteilt sind. In einer weiteren Lösung kann der Metalldetektor mindestens einen Sender oder Empfänger aufweisen, der so ausgebildet ist, daß der pitch "d" bei dem das Signal für diese Wicklung minimal ist, eine andere Größe aufweist als der der übrigen.

In dieser Ausführungsform kann der oben beschriebene Signal- Minimierungseffekt nur noch bei einem Sender-Empfänger- Wicklungspaar auftreten, aber nicht bei dem oder den anderen Paaren, was auf die Tatsache zurückzuführen ist, daß diese eine andere Anzahl von Polen aufweisen oder so ausgebildet sind, daß sie einen minimalen Signal-Durchgangsabstand aufweisen, der sich von den vorangegangenen unterscheidet.

Wichtiger ist, daß jedes Sender-Empfänger-Wicklungspaar eine andere Anzahl von Polen aufweist als die übrigen Paare, so daß die minimalen Signal pitches "d" eine voneinander klar zu unterscheidende Größe aufweisen, so daß Körper, die ein beliebiges Bahnpaar durchlaufen, nicht in allen Tx-Rx-Paaren ein minimales Signal erzeugen und die Detektion gesichert ist.

Letztlich sind die mehrpoligen Wicklungspaare so ausgelegt, daß es keine Bahnen gibt, deren gleichzeitiges Durchlaufen von mehr als einem metallischen Körper ein resultierendes, induziertes Signal in jedem Empfänger bewirkt, das unter einem kalibrierten Wert liegt.

Eine Ausführungsform der Erfindung ist beispielhaft in Fig. 5 gezeigt, die eine der beiden Metalldetektorgruppen mit zwei Empfänger-Sender-Wicklungen 5 und 6 aufweist, die fünf bzw. drei Pole mit minimalen Signalabständen oder pitches "d1" und "d2" aufweisen. Der minimale Signalpitch für den Durchgang metallischer Körper auf equidistanten Bahnen für die Fünf- Polwicklung ist "d1" und für die Drei-Polwicklung "d2".

Aus diesem Grund existiert dort nicht ein Bahnenpaar, das die Signaländerung in beiden Empfängerwicklungen gleichzeitig vernachlässigbar macht.

Die gewählte Anzahl der Pole N1 und N2 sollte mit der Gesamthöhe der Wicklungen und daher mit dem überwachten Durchgang im Einklang stehen.

Im wesentlichen muß im Fall von zwei Sender-Empfänger Wicklungspaaren gewährleistet sein, daß keine Bahnenpaare AB mit Abstand "d" existieren, die, wenn sie gleichzeitig von metallischen Körpern durchlaufen werden, minimale Veränderungen der in den beiden Wicklungspaaren induzierten Signale verursachen würden, wobei diese Bedingung wie folgt ausgedrückt werden kann:

d = d1 × kl (d1 × k1) (d2 × k2)

wobei:
d1 = minimaler Signalpitch von Wicklung 5,
d2 = minimaler Signalpitch von Wicklung 6,
k1 und k2 = ganze, ungerade Zahlen.

Wenn k1 und k2 ganze, ungerade Zahlen sind, erhält man additive und nicht neutralisierende Effekte. Diese Zusammenhänge gelten für eine beliebige Anzahl von mehrpoligen Wicklungen, egal ob sie auf einer Ebene verteilt sind, um eine Säule gewickelt sind oder in irgendeiner anderen geometrischen oder räumlichen Struktur gewickelt oder angeordnet sind.

Claims (8)

1. Metalldetektor mit mehrpoligen Wicklungen zur Beseitigung von Neutralisationseffekten, für den Eingangsbereich von Räumlichkeiten, die vor dem Zutritt bewaffneter Personen zu schützen sind und für andere Anwendungen in Verbindung mit dem Aufspüren von metallischen Körpern, der zwei oder mehr mehrpolige Sender-Empfänger-Wicklungspaare (Tx-Rx) umfaßt, gekennzeichnet durch eine unterschiedliche Anzahl von Polen, wobei verschiedene Tx-Rx-Paare verschiedene pitches "d" aufweisen, bei denen ein minimales Signal auftritt, so daß passierende metallische Körper, wenn sie in einem pitch "d" für ein Tx-Rx-Paar angeordnet sind, sich nicht in einem pitch "d" für das oder die anderen Paare befinden, so daß die Tx-Rx- Paare auf diese Art den Durchgang dieser metallischen Körper detektieren.

2. Metalldetektor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Sender-Empfänger-Gruppen, die zwei oder mehrere überlappende und/oder nebeneinanderliegende Sender- Empfänger-Wicklungen umfassen, wobei mindestens ein Sender-Empfänger-Paar eine andere Anzahl von Polen aufweist als die übrigen Paare.

3. Metalldetektor nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Sender-Empfänger-Gruppen, die zwei oder mehrere überlappende und/oder nebeneinanderliegende Sender- Empfänger-Wicklungen umfassen, wobei mindestens ein Sender-Empfänger-Paar bezüglich der geometrischen Abmessungen und/oder der Feldstärke eine andere Verteilung aufweist als die übrigen Paare.

4. Metalldetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Wicklungspaare mit einer so gewählten verschiedenen Anzahl von Polen, daß die pitches "d", bei denen ein minimales Signal auftritt, der Paare untereinander deutlich verschieden sind.

5. Metalldetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens eine Sender- oder Empfängerwicklung, die so ausgebildet ist, daß der pitch "d" dieser Wicklung eine andere Größe hat als die übrigen.

6. Metalldetektor -nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit zwei mehrpoligen Tx-Rx-Wicklungspaaren, gekennzeichnet durch eine reziproke Anordnung für jedes Bahnenpaar AB im Abstand "d", die beim gleichzeitigen Durchgang von zwei metallischen Körpern nie das Ergebnis verursacht, daß d1 × k1 gleich d2 × k2 ist, wobei d = d1 × k1 und k1, k2 ganze, ungerade Zahlen sind, wobei d1, d2 minimale Signalpitches oder zwei Wicklungspaare sind.

7. Metalldetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Sender-Empfänger-Wicklungspaare mit verschiedenen Anzahlen von Polen, die auf Trägerpaneelen angeordnet sind.

8. Metalldetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Sender-Empfänger-Wicklungspaare mit verschiedenen Anzahlen von Polen, die auf Säulen angeordnet sind.