DE4342826C2 - Einrichtung zur Feststellung metallisch leitender Teile - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erzeugung eines Erkennungssignals beim Auftreten von metallisch leitenden Teilen, in einem zumindest weitgehend nichtleitenden Förderstrom, bei der von einem Wechselstromgenerator über eine Sendespule in einem zu überwachenden Abschnitt des Förderstromes ein elektro­ magnetisches Feld aufgebaut wird, dessen Amplituden- und Phasen-Änderungen mittels eines, eine Auswerteschaltung speisenden Spulensystems zur Ableitung des Erkennungssignals erfaßt werden. Insbesondere ist die Erfindung für die Schutzeinrichtung in einer Recycling-Anlage bestimmt.

Derartige Einrichtungen sind beispielsweise durch die Deutschen Offenlegungs­ schriften 37 14 009 A1 und 40 17 780 A1 bekannt. Auch in der Patentschrift DD WP 204 317 ist eine derartige Einrichtung behandelt. Man benötigt sie zum Bei­ spiel zur Feststellung von Metallteilen in einem im wesentlichen nur aus Pa­ pier oder recyclingfähigem Kunststoff bestehenden Förderstrom, der einer Zer­ kleinerungsanlage (Shredder) für die Wiederaufbereitung zugeführt wird. Sind in dem Fördergut massive Metallteile enthalten, so kann dies zu Störungen im Arbeitsablauf, wenn nicht gar zur Zerstörung von Maschinenteilen führen, auch wenn sie nur klein sind. Folienartige leitende Teile, wie die Abdeckungen von in Kunststoffbechern verpackter Ware, müssen aber in der Regel nicht aussor­ tiert werden, weil ihre mechanische Widerstandskraft nur gering ist und ihre Aussortierung nach der Zerkleinerung mit anderen Verfahren möglich ist. Die Ausführungsform der Fördereinrichtung kann z. B., je nach dem Anwendungszweck, ein Gurtförderband, ein Vibrationsförderer, eine Materialrutsche, eine Fall­ rohrleitung oder auch eine pneumatische Förderleitung sein. Die Einrichtung wird den Fördereinrichtungen zum Schutz nachfolgender Aufbereitungsmaschinen zugeordnet. Dies könnte z. B. auch eine Schneidmühle, ein Brecher, eine Fein­ mahlanlage oder ein Extruder sein. Das von der Einrichtung abgegebene Erken­ nungssignal dient dabei zur Betätigung von Schutzeinrichtungen, wie optischen und/oder akustischen Signalmitteln, von Abschalteinrichtungen der Förderein­ richtung, oder auch der Umleitung des ein störendes Teil enthaltenden Förder­ stromes in einen Sammelbehälter und dergleichen. Um auch kleine, massive und metallisch leitende Teile sicher noch erkennen zu können, wird bei bekannten Einrichtungen von der Tatsache Gebrauch gemacht, daß der Einfluß auf das Spu­ lensystem mit der Frequenz des elektromagnetischen Wechselfeldes zunimmt. Die bekannten Anlagen arbeiten aus diesem Grund bei relativ hohen Frequenzen, wie wenigstens 16 kHz. Meistens liegt die Frequenz aber wesentlich höher. Die da­ mit verbundene Steigerung der Empfindlichkeit bringt es aber mit sich, daß auch an sich nicht auszusortierende, wie folienartige Teile Erkennungssignale auslösen und je nach der Art der für die Förderanlage vorgesehenen Schutzmit­ tel diese z. B. stillsetzen oder den Förderstrom unerwünscht umleiten. Auch bereitet die Erkennung kleiner massiver, metallisch leitender Teile meist im­ mer noch gewisse Schwierigkeiten, weil die durch solche Teile verursachte Si­ gnalamplitude gering ist, vor allem auch gegenüber der von folienartigen, me­ tallisch leitenden Teilen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Schwierigkeiten zu begegnen, vor allem auch kleine metallisch leitende massive Teile sicher zu erkennen.

Dies wird nach der Erfindung dadurch erreicht, daß die Frequenz des vom Wech­ selstromgenerators erzeugten elektromagnetischen Wechselfeldes im Frequenzbe­ reich unter 5 kHz liegend gewählt ist, und daß die Auswerteschaltung durch am­ plituden- und phasenauswertende Mittel derart abgleichbar ist, daß auch von kleinen massiven Teilen ein Erkennungssignal ableitbar ist. Besonders vorteil­ haft ist es, wenn die Frequenz zwischen etwa Hundert Hertz und etwa 1 kHz lie­ gend gewählt ist.

Dabei ist es von Vorteil, wenn in an sich bekannter Weise aus dem Ausgangs­ signal des Spulensystem ein Amplituden- und ein Phasen-Signal abgeleitet wer­ den und die Auswerteschaltung über Verstärker mit dem Spulensystem verbunden ist, deren Verstärkung größer als 5 ist. Auch ist es von Vorteil, wenn in der Auswerteschaltung ein Phasenvergleicher vorgesehen ist, der einen Phasenver­ gleich bei einer Harmonischen der Frequenz des Wechselstromgenerators durch­ führt. Die Auswerteschaltung kann mit Vorteil auch so abgeglichen werden, daß für folienhafte, metallisch leitende Teile die Erkennungssignalbildung unter­ drückt und für massive metallisch leitende Teile sichergestellt ist. Sie ist deshalb besonders vorteilhaft in der Verwendung in einer Schutzeinrichtung einer Recycling-Anlage.

Nachstehend wird die Erfindung anhand eines in einer Zeichnung wiedergegebe­ nen Ausführungsbeispiels näher erläutert. In dieser zeigt

die Fig. 1 die Ansicht einer Metalldetektions-Einrichtung, die ein Förderband umschließt,

die Fig. 2 einen Schnitt durch eine Metalldetektions-Einrich­ tung nach der Fig. 1,

die Fig. 3 ein Schaltbild mit der Sendespule und einem zwei Spulen umfassenden Spulensystem für den Empfang,

die Fig. 4 das Blockschaltbild einer Schaltung zur Ableitung eines Erkennungssignals,

die Fig. 5 ein Schwingungsdiagramm zur Verdeutlichung der Wir­ kung von leitenden Teilen im Fördergutstrom auf das über das Spulensystem aufgenommene Signal,

die Fig. 6 den zeitlichen Verlauf des beim Durchgang eines me­ tallisch leitenden Teiles auftretenden Signals am Eingang einer Schwellwert-Schaltung, die der Abgabe des Erkennungssignals dient und

die Fig. 7 die Ableitung von Amplituden- und Phasensignal bei einer Einrichtung mit nur einer Empfangsspule.

Wie bereits erwähnt, liegt ein wesentliches Problem bei solchen Einrichtungen darin, daß kleine massive Teile wie Schrauben, Muttern, Nägel und dergleichen trotz ihrer metallischen Leitfähigkeit nur schwer erfaßbar sind. Um sie den­ noch zu erfassen, wählt man in der Praxis eine relativ hohe Betriebsfrequenz für den Wechselstromgenerator, weil die auf der Wirbelstrombildung in den me­ tallisch leitenden Teilen beruhenden Feldänderungen mit der Betriebsfrequenz zunehmen. Die Frequenzwerte liegen bei den bekannten Anlagen bei 16 Khz und meist noch wesentlich höher. Dies bringt zwar eine wesentliche Erhöhung der Empfindlichkeit, doch ist eine Unterscheidung zwischen massiven Teilen und folienartigen Teilen, die metallisch leitend sind, nach wie vor praktisch un­ möglich.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird zunächst das Prinzip erläutert.

Die in der Fig. 1 und 2 schematisch dargestellte Einrichtung besteht aus zwei Teilen OT und UT, von denen das eine U-förmig und das andere als flaches Auflager ausgebildet ist. Die beiden Teile umschließen ein Förderband B, das in Richtung des aufgezeichneten Pfeiles das auf unerwünschte metallische Tei­ le zu überprüfende Gut durch die Einrichtung transportiert. In dem Teil OT ist eine Sendespule S1 angeordnet. In dem Teil OT sind ferner ein die Sende­ spule mit Wechselstrom speisender Generator G und eine Schaltung A zur Ablei­ tung eines Erkennungssignals von im Fördergut enthaltenen, metallisch leiten­ den Teilen angeordnet. Im Auflager UT sind zwei Empfangsspulen S2 und S3, in Förderrichtung versetzt, angeordnet. Ausführungsform und Anordnung der Spu­ len sind, ebenso wie die Gehäuseform und die Form und Art der Durchlaßöffnung in an sich bekannter Weise dem Anwendungsfall angepaßt. Über nicht näher dar­ gestellte Kontakte sind ihre Anschlüsse zu der Schaltung A im Teil OT geführt. Eine Anschlußleitung AL dient der Verbindung der Einrichtung mit der Betriebs­ stromversorgung. Eine Ausgangsleitung SL dient zur Weiterleitung eines Erken­ nungssignals an eine der einleitend erwähnten Schutzvorrichtungen.

Aus der in der Fig. 3 gezeigten Schaltung ist entnehmbar, daß die Sendespu­ le S1 durch einen Kondensator C1 und das Spulenpaar S2, S3 durch einen Kon­ densator C2 jeweils zu einem elektrischen Schwingkreis vervollständigt sind. Die beiden Schwingkreise S1, C1 bzw. S2, S3, C2 sind so abgestimmt, daß sie ein auf die Frequenz des Wechselstromes abgestimmtes Bandfilter bilden, der vom Generator G zugeführt wird. Durch die Unterteilung der Spule und damit der Induktivität im Schwingungskreis S2, S3, C2 ist es möglich zwei, gegenüber dem Bezugspotential BP, gegenphasige Signale U1 und U2 abzunehmen und der Schal­ tung A zuzuführen.

Die Schaltung A beginnt, wie die Fig. 4 zeigt, mit einem durch einen soge­ nannten Operationsverstärker gebildeten Differenz-Verstärker OP, an dessen Ausgang eine Aufteilung in einen Amplitudenzweig AZ und einen Phasenzweig PZ vorgenommen ist. Im Amplitudenzweig AZ wird mittels einer Gleichrichterstufe SG der Spitzenwert des Signales Uemp bestimmt. Im Phasenzweig PZ ist ein Pha­ sendiskriminator PV eingefügt, dem als Phasenbezugssignal das Signal Use des Generators G zugeführt wird. Die Ausgangsspannungen von SG und PV werden ei­ nem Komparator K mit einstellbarer Gewichtung zugeführt. Im einfachsten Fall ist dies ein Subtrahierer mit einem Amplitudenregler in zumindest einem sei­ ner beiden Eingänge.

In der Fig. 5 ist der Einfluß des Durchgangs eines durch das Förderband an der Spule S2 vorbeibewegten, metallisch leitenden Teiles dargestellt. Die von dem Wechselfeld der Spule S1 in dem Teil verursachten Wirbelströme verändern sowohl die Amplitude als auch die Phasenlage des über S2 und S3 empfangenen Signals Uemp, das ohne solche Feldstörungen um 90° gegen Use phasenverschoben ist. Die Änderungen sind durch Pfeile angedeutet. Die Amplitudenveränderung wird über AZ und die Phasenänderung über PZ ausgewertet.

Die Ausgangsspannung von K wird, gegebenenfalls nach einer Zwischenverstär­ kung in einem Verstärker V, über ein Filter F einer Schwellwertschaltung SS eingespeist, an deren Ausgang das Erkennungssignal AS eines metallisch leiten­ den Teiles entnehmbar ist, das als störend zu klassifizieren ist. Zu diesem Zweck wird der Schwellwertschaltung SS eine im Wert einstellbare Bezugsspan­ nung Usch zugeführt, bei deren Überschreiten das Erkennungssignal AS im Aus­ gang von SS auftritt. Das Filter F unterdrückt den Gleichspannungsanteil im Ausgang von K und begrenzt das Frequenzspektrum auf den für die Auswertung vorgesehenen Bereich.

Beim Transport eines metallisch leitenden Teiles durch eine Einrichtung nach den Fig. 1 bis 4 tritt im Eingang von V bzw. SS ein Signal auf, das einen für das bewegte Teil charakteristischen Amplitudenverlauf zeigt. Ist das Teil kurz gegenüber dem Abstand der Spulen S2 und S3, entsteht bei jedem Passie­ ren einer der beiden Spulen ein Signal, wie es in der Fig. 6 mit I gekenn­ zeichnet ist. Ist hingegen das Teil demgegenüber lang, so ist der Verlauf von AS etwa so, wie es durch II angedeutet ist. In der Fig. 6 ist noch die Wir­ kung der Bezugsspannung Usch in der Schwellwertschaltung SS angedeutet. Nur bei Überschreiten der Schwellenwerte tritt ein Ausgangssignal AS auf, das als Erkennungssignal dient. Solche Schwellwert-Schaltungen sind an sich bekannt. Durch die Schwellwertschaltung wird auch ein Einfluß des Grundrauschens, das in der Fig. 6 als den eigentlichen Signalen vorausgehend und nachfolgend an­ gedeutet ist, wirksam unterdrückt.

Wie der Erfindung zugrunde liegende Untersuchungen gezeigt haben, werden auch kleine metallisch leitende, massive Teile dann sicher erkennbar, wenn die Be­ triebsfrequenz der Einrichtung wesentlich tiefer gelegt wird. Man kann dies etwa wie folgt erklären. Die auf einer Wirbelstrombildung beruhenden Feldän­ derungen werden durch die Absenkung der Betriebsfrequenz zwar wesentlich ge­ ringer im Vergleich zu den erwähnten hohen Betriebsfrequenzen. Es tritt aber ein anderer Effekt für die Erkennung nutzbar auf. Es nimmt nämlich die durch den Skin-Effekt begrenzte, von Wirbelströmen erfaßbare Materialmenge mit ab­ nehmender Betriebsfrequenz etwa quadratisch zu. Hat beispielsweise die Ein­ dringtiefe in Kupfer bei einer Frequenz von 15 kHz den Wert von ca. 0,005 cm, so liegt der Wert für eine Frequenz von 1 kHz bei ca. 0,25 cm (siehe z. B. das Buch "Radio Engineers Handbook" McGraw-Hill Book Company, Inc. New York and London, 1943, Seiten 30 bis 37, insbesondere Seite 35). Während beispielswei­ se eine kleine Schraubenmutter M in der Normgröße M6 bei einer vorgegebenen Größe der Durchlaßöffnung (Fig. 1) bei den hohen Betriebsfrequenzen nicht von metallisch leitenden Folienteilen unterschieden werden kann, weil prak­ tisch nur die an sich kleine Oberfläche an der Wirbelstrombildung beteiligt ist, wird die gleiche Schraubenmutter bei erheblich niedrigerer Betriebsfre­ quenz, von beispielsweise 1 kHz und darunter, wegen eines wesentlich höheren Raumanteils, in dem Wirbelströme fließen, deutlich erkennbar und sogar von fo­ lienartigen, metallisch leitenden Teilen deutlich unterscheidbar.

Die Minderung der Amplitude der in dem empfangsseitigen Spulensystem auftre­ tenden Signale und eine damit verbundene Absenkung der Ansprechschwelle las­ sen sich in gewissem Umfang durch eine Erhöhung der Sendeenergie ausgleichen. Auch eine Anhebung der Spannungs-Verstärkung auf der Empfangsseite wirkt in diesem Sinne. Dafür empfiehlt sich vor allem eine Anhebung des Verstärkungs­ wertes im Operationsverstärker OP, der üblicherweise etwa beim Wert 2 liegt, auf einen nennenswert höheren Wert, beispielsweise von 5 und mehr. Es kann dann u. U. die Verstärkung in der Stufe V, die zweckmäßig in der Verstärkung regelbar ist, vermindert werden.

Mit abnehmender Betriebsfrequenz vermindert sich entsprechend auch die durch das Passieren eines metallisch leitenden Teiles hervorgerufene effektive Pha­ senverschiebung des empfangsseitigen Signals Uemp gegenüber dem sendeseitigen Signal Use. Durch eine Erhöhung der Empfindlichkeit des Phasenvergleichers PV kann diesem Einfluß in gewissen Grenzen begegnet werden. Der Minderung kann auch dadurch begegnet werden, daß zusätzlich oder auch allein als Gegenmaß­ nahme der Vergleich der beiden Signale hinsichtlich ihrer Phasendifferenz bei einer Harmonischen der niedrigen Grundfrequenz durchgeführt wird. Das ist z. B. mittels einer Frequenzvervielfachung möglich. In der Fig. 4 ist dies durch die in die beiden Zuleitungen zu dem Phasenvergleicher PV gestrichelt einge­ zeichneten Frequenzvervielfacher FV angedeutet. Die Frequenzvervielfacher FV sind dabei in an sich bekannter Weise entsprechend selektiv für die gewünsch­ te Harmonische auszubilden, z. B. auf den 10-fachen Frequenzwert gegenüber der Frequenz des vom Wechselstromgenerators G erzeugten elektromagnetischen Wech­ selfeldes abzustimmen, wenn eine Verzehnfachung des ursprünglichen Phasenwin­ kels gewünscht wird. Der bei der Vervielfachung anzusetzende Faktor sollte im Regelfall nur so hoch gewählt werden, daß die aus der Vervielfachung re­ sultierende Phasendifferenz den für ein eindeutiges Arbeiten des Phasendis­ diskriminators zulässigen Wert mit Sicherheit nicht überschreitet.

Die erfindungsgemäße Ausbildung eröffnet eine besonders vorteilhafte Anwen­ dungen. So ist es beispielsweise bei Recycling-Anlagen meist nicht erforderlich, folienhafte metallisch leitende Teile, z. B. den in der Fig. 1 auf dem Trans­ portband B dargestellten Rest F des Aluminiumverschlusses einer Kunststoffdo­ se, wie sie für die Verpackung von Milchprodukten verwendet wird, auszuson­ dern, da sie die anschließenden Zerkleinerungsmaschinen kaum beeinträchtigt. Hingegen können kleine Massivteile, wie eine Schraubenmutter M schwere Schä­ den in der Zerkleinerungsmaschine auslösen. Man kann nun die Kompensation in K bzw. die dort erfolgende Differenzbildung wegen des erheblich stärkeren Si­ gnals der Schraubenmutter so einstellen, daß die dünne Folie des Aluminium­ verschlusses kein Erkennungssignal AS liefert, jedoch ein Erkennungssignal beim Passieren der Schraubenmutter abgegeben wird. Die entsprechenden Regel­ mittel sind eine entsprechende Einstellung der Maximalamplitude der Ausgangs­ signale von SG und PV und eine entsprechende Wahl der Schwellwert-Spannung Usch für die Schwellwertschaltung SS.

Die Einrichtung nach der Fig. 1 verwendet sekundärseitig ein aus zwei Spulen bestehendes Spulensystem. Man kann auch mit nur einer Spule arbeiten. In die­ sem Fall ist, wie in der Fig. 7 gezeigt, das Signal U1 an dem Schwingkreis abzugreifen und einmal direkt dem Operationsverstärker und einmal mit einer Phasenumkehr, also einer Phasenverschiebung von 180° zuzuführen. Dies wird durch die angedeutete Einschaltung einer Phasenumkehrstufe PU an sich bekann­ ter Art erreicht.

Beim Ausführungsbeispiel erfolgt die Verarbeitung der Signale Use und Uemp mittels sogenannter analog arbeitender Baugruppen. Wandelt man diese Signale vor ihrer Verarbeitung in der Auswerteschaltung durch Analog/Digital-Wandler in Digital-Signale um, so kann die Verarbeitung auf digitaler Basis durchge­ führt werden. Die entsprechenden Bausteine, wie ein Subtrahierer, ein Kompa­ rator, ein Verstärker, ein Filter und eine Schwellwertschaltung sind im Han­ del als sogenannte IC's bekannt und erhältlich.

Claims (5)

1. Einrichtung zur Erzeugung eines Erkennungssignals beim Auftreten von me­ tallisch leitenden Teilen in einem zumindest weitgehend nichtleitenden Förderstrom, bei der von einem Wechselstromgenerator über eine Sendespu­ le in einem zu überwachenden Abschnitt des Förderstromes ein elektroma­ gnetisches Wechselfeld aufgebaut wird, dessen Amplituden- und Phasenände­ rungen mittels eines eine Auswerteschaltung speisenden Spulensystems zur Ableitung des Erkennungssignals erfaßt werden, insbesondere für die Schutzeinrichtung in einer Recycling-Anlage, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des vom Wechselstromgenerator erzeugten elektromagne­ tischen Wechselfeldes im Frequenzbereich unter 5 kHz liegend gewählt ist, und daß die Auswerteschaltung durch amplituden- und phasenauswertende Mittel derart abgleichbar ist, daß auch von kleinen massiven Teilen ein Erkennungssignal ableitbar ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz zwischen etwa Hundert Hertz und etwa 1 kHz liegend gewählt ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich be­ kannter Weise aus dem Ausgangssignal des Spulensystems ein Amplituden- und ein Phasen-Signal abgeleitet werden, und daß die Auswerteschaltung über Verstärker mit dem Spulensystem verbunden ist, deren Verstärkung größer als 5 ist.

4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Auswerteschaltung ein Phasenvergleicher vorgesehen ist, der den Phasenvergleich zwischen den Ausgangssignalen des Spulensystems und des Wechselstromgenerators bei einer Harmonischen der Frequenz des Wechselstromgenerators durchführt.

5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung so abgeglichen ist, daß für folienhafte metallisch leitende Teile die Erkennungssignalbildung unterdrückt und für massive metallisch leitende Teile sichergestellt ist.