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Die
Erfindung betrifft eine induktive Sensoranordnung zum Detektieren
eines ferromagnetischen oder eisenfreien, elektrisch leitenden Objekts,
das in ein Umgebungsmedium eingebettet ist, mit wenigstens einer Feldspule
zum Erzeugen eines durchdringenden magnetischen Wechselflusses in
dem Medium, und wenigstens einer Messspule zum Erfassen von Magnetfluss-Feldstörungen,
die gegebenenfalls durch das ferromagnetische oder eisenfreie, elektrisch
leitende Objekt verursacht sein können.
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Ferner
betrifft die Erfindung ein Verfahren und seine Anwendung in einer
handgeführten
Werkzeugmaschine, um ein ferromagnetisches oder eisenfreies, elektrisch
leitendes Objekt, das in einem Umgebungsmedium verborgen ist, durch
die induktive Sensoranordnung gemäß der Erfindung zu detektieren.
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Metalldetektoren
arbeiten gewöhnlich
so, dass sie die Änderung
eines gewählten
Parameters messen, während
eine Bedienungsperson mit einem Sensorkopf eine interessierende
Oberfläche
eines Mediums überstreicht,
in dem ein störendes
Teil aus Metall verborgen sein kann. Der Parameter könnte die
Kapazität,
die Induktivität
oder irgendein anderer physikalischer Parameter, der eine Unterscheidung
eines Materials von einem anderen ermöglichen würde, sein.
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Insbesondere
kann die Anforderung auch sein, verstärkende Metallstäbe (im Folgenden "Bewehrungsstäbe") aufzufinden, die
gewöhnlich
aus Eisenwerkstoff bestehen und in ein Medium wie Beton, Ziegel, Putz
und dergleichen eingebettet sind. Es gibt Detektoren auf dem Markt,
die diese Anforderung erfüllen
können,
aber mit den genauen davon muss die Oberfläche des Mediums, z. B. Beton, überstrichen
werden. Bei einem solchen "Überstreichen" mit dem Detektor
ist es möglich,
aus den empfangenen Antwortsignalen die Position und die (Längen-)Richtung
des verborgenen Objekts, z. B. des Bewehrungsstabs, zu bestimmen.
Der Metall-Erfassungsbereich kann entweder automatisch bestimmt
werden, wozu ein ziemlich kompliziertes System erforderlich ist,
oder manuell. Im Fall einer manuellen Bestimmung ist es üblich, auf
der Oberfläche
des Mediums den Erfassungsbereich und die Richtung des Bewehrungsstabs
zu markieren. Natürlich
erfordert dieses manuelle Absuchen und Bestimmen nicht nur Zeit,
sondern auch Fachkönnen
und -wissen von dem Benutzer oder der Bedienungsperson.
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US-5,729,143 beschreibt
einen Metalldetektor mit einer Empfangsspule und einer Sendespule,
die in parallelen, überlappenden
Wicklungsebenen angeordnet und in einer induktiven Brücke miteinander
verbunden sind. Dies ist ein typisches Beispiel für einen
Metalldetektor, der von der Bedienungsperson bei der Interpretation
der Signalantwort Fachkönnen
und -wissen erfordert.
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Ein
weiterer Typ eines Geräts
zum Detektieren metallischer Objekte in einem nichtmetallischen
Material ist in
US 2,546,771 beschrieben.
Dieses Suchgerät
umfasst ein Paar in Reihe geschaltete Sekundärspulen, die mit ihren Radien
in im Wesentlichen parallelen Ebenen, an solches Material angrenzend,
das in einen Detektionsspalt einzubringen ist, jeweils zwischen
zwei Primärwicklungen
angeordnet sind, die diametral nur jeweils eine der Sekundärspulen
umgeben. Die Primärspulen
werden durch einen Wechselstrom mit solchen Polaritäten erregt,
dass ihre Magnetflüsse
durch solches Material additiv sind. Die Sekundärspulen sind in Reihenkompensation
geschaltet, um über
den Sekundärspulen
eine resultierende Ausgangsspannung von null zu erzeugen, wenn das
Magnetfeld der Primärspule
in Abwesenheit jeglichen möglicherweise
in dem Material verborgenen, metallischen Objekts ungestört ist.
Dieses bekannte Suchgerät
ist jedoch auf Grund seiner räumlichen
Abmessungen und der Anordnung von Spalte aufweisenden Primärspulen
nicht zum Detektieren von ferromagnetischen oder eisenfreien, elektrisch
leitenden Objekten in einem Umgebungsmedium geeignet.
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EP-0 366 221 A2 offenbart
ein Suchgerät
für vergrabenes
Metall, das über
ein Joch verbundene Spulen umfasst, die in Drehbewegung versetzt
werden, um ein externes elektromagnetisches Wechselfeld zu erzeugen,
das nach verschiedenen Richtungen auszurichten ist, wobei Veränderungen
bei der Zufuhr der Energie, die von der Spule gezogen wird, überwacht
werden, um als Hinweis auf das Vorhandensein/Nichtvorhandensein
eines metallischen Objekts in einem Umgebungsmedium zu dienen.
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EP 1 092 988 A2 ,
als nächstliegender
Stand der Technik angesehen, offenbart eine induktive Sensoranordnung
zum Detektieren von Metallobjekten, die in einem Umgebungsmedium
verborgen sind, mit einem Feldspulenpaar zum Erzeugen eines magnetischen
Wechselflusses durch sequenzielles Erregen mit einem Wechselstrom
und einem Paar Messspulen, die jeweils im Inneren jeder zugeordneten
Feldspule bei einer solchen Orientierung zu den Achsen jeder der Feldspulen
angebracht sind, dass in einer Umgebung, in der kein metallisches
Objekt vorhanden ist, im Wesentlichen keine Spannung in den Messspulen
induziert wird. Falls ein metallisches Objekt in die Nähe des induktiven
Sensors gelangt, werden in dem Messspulenpaar vier charakteristische
Spannungswertsätze
erzeugt, die unter Verwendung eines Algorithmus zum Definieren einer
Position und eines Unterscheidungskriteriums im Hinblick auf das
verborgene metallische Objekt verarbeitet werden. Diese Sensoranordnung
bietet den Vorteil einer Einpunktmessung, aus der eine genaue Positionsunterscheidung
für ein
verborgenes metallisches Objekt wie einen Bewehrungsstab in Beton
resultiert. Jedoch weist ein solcher induktiver Sensor die Einschränkung auf,
dass eine zuverlässige
Detektion eines eisenhaltigen Objekts wie eines Bewehrungsstabs
nur innerhalb von Winkeln von ±60° oder weniger,
gewöhnlich
nur ±45° möglich ist.
Um den Detektor über
einen vollen 360°-Bereich funktionsfähig zu machen,
damit beliebige Bewehrungsstabwinkel detektiert werden können, schlägt das EP-Dokument
außerdem
vor, dass ein zweites Paar Feld-/Messspulen an 90°-Positionen
in Bezug auf das erste Paar Feld-/Messspulen angeordnet wird, um
den orthogonalen ±45°-Bereich
abzudecken. Jedoch wird eine solche Anordnung mit vier Feld-/Messspulen,
wenn sie als ein Zusatzwerkzeug zum Detektieren von Bewehrungsstäben für ein handgeführtes Werkzeug
wie einen Bohrhammer vorgesehen ist, unhandlich und verhältnismäßig teuer.
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DE 19 648 833 A1 beschreibt
eine Vorrichtung zum Detektieren und Identifizieren von verborgenen Objekten
wie Plastikminen im Boden. Diese Vorrichtung umfasst zwei nebeneinander
angeordnete Sensorspulen, die mit verschiedenen Erregungsfrequenzen
betrieben werden. In Abhängigkeit
von verschiedenen physikalischen Eigenschaften des verborgenen Objekts,
wie elektrische Leitfähigkeit,
Permeabilität
usw. wird die Impedanz einer Empfängerspule, die in einer die
zwei Sensorspulen überlappenden
Konfiguration angeordnet ist, je den entsprechenden Materialeigenschaften
auf unterschiedliche Weise modifiziert. Wiederum erfordern das Absuchen
eines bestimmten Bodenbereichs und das Interpretieren der Empfangssignale
Erfahrung und Fachkönnen.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine induktive Sensoranordnung
und ein Verfahren zum Detektieren von ferromagnetischen oder eisenfreien,
elektrisch leitenden Objekten wie Bewehrungsstäben, die in einem Medium verborgen
sind, zu schaffen, womit einerseits ein Detektieren über einen Bereich von
vollen 360° und
eine Tiefenbestimmung vorgenommen werden können und andererseits eine
kompakte und kleine Sensorbauform möglich ist.
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Eine
induktive Sensoranordnung, wie in dem obigen einleitenden Abschnitt
definiert, ist gemäß der vorliegenden
Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass drei Feldspulen bereitgestellt
sind und im Wesentlichen in derselben geometrischen Ebene angeordnet
und in definierten Winkelabständen
voneinander, in Bezug auf und um eine Mittelachse orthogonal zu
der Ebene, benachbart positioniert sind, und drei Messspulen bereitgestellt
sind, wobei jeweils eine Messspule im Inneren jeder Feldspule bei
einer solchen Orientierung zur Achse der jeweils zugeordneten Feldspule
angebracht ist, dass in einer Umgebung, in der kein ferromagnetisches oder
eisenfreies, elektrisch leitendes Objekt oder Material vorhanden
ist, in der Messspule von der entsprechend zugeordneten Feldspule
im Wesentlichen keine Spannung induziert wird. Vorzugsweise und
normalerweise sind die drei Paare aus Feld- und Messspule in gleichen
Winkelabständen
von gewöhnlich
120° voneinander
positioniert, wobei die Achsen der Messspulen jeweils orthogonal
in Bezug auf die Achse ihrer zugeordneten Feldspule angeordnet sind.
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Weitere
vorteilhafte Einzelheiten und Verbesserungen einer induktiven Sensoranordnung
gemäß der Erfindung
sind Gegenstand entsprechender abhängiger Ansprüche.
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Ein
Verfahren zum Detektieren eines ferromagnetischen oder eisenfreien,
elektrisch leitenden Objekts, das in einem Umgebungsmedium verborgen
ist, mittels der erfindungsgemäßen induktiven
Sensoranordnung ist gekennzeichnet durch: Erregen der drei Feldspulen
mit definierten Stromrampen, die sequenziell an jede der Feldspulen
angelegt werden, um einen veränderlichen
Magnetfluss zu erzeugen, der das Medium durchdringt, wobei er von
drei verschiedenen räumlichen
Positionen entsprechend der Feldspulenanordnung ausgeht, dann Aufnehmen
von neun verschiedenen Ausgangsspannungen von den drei Messspulen,
d. h.
- – während die
erste Feldspule durch die definierte Stromrampe erregt wird, werden
eine erste Ausgangsspannung von der zugeordneten ersten Messspule
und eine zweite bzw. dritte Ausgangsspannung von den übrigen Messspulen
erlangt,
- – während die
zweite Feldspule durch die nächste
definierte Stromrampe erregt wird, werden eine vierte Ausgangsspannung
von der zugeordneten zweiten Messspule und eine fünfte bzw.
sechste Spannung von den übrigen
Messspulen, nämlich
der ersten und dritten Messspule, erlangt,
- – während die
dritte Feldspule durch die nächstfolgende
definierte Stromrampe erregt wird, werden eine siebte Ausgangsspannung
von der zugeordneten dritten Messspule und eine achte bzw. neunte
Spannung von den übrigen
Messspulen, nämlich
der ersten und zweiten Messspule, erlangt, und
- – Gewinnen
eines Kriteriums für
das Vorhandensein/Nichtvorhandensein eines ferromagnetischen oder
eisenfreien, elektrisch leitenden Objekts durch algorithmisches
Verarbeiten der neun verschiedenen Ausgangsspannungen.
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Vorteilhafte
Merkmale des Verfahrens, insbesondere bezüglich der bevorzugten Verarbeitung
der neun Ausgangsspannungen, sind jeweils Gegenstand weiterer abhängiger Ansprüche.
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Vorzugsweise
werden die algorithmischen Verarbeitungsschritte in Bezug auf einen
Satz aus jeweils einem Spannungswert für jede der neun Ausgangsspannungen,
die während
eines Zyklus Erregungsstromrampen, mit denen jede der drei Feldspulen
versorgt wird, von den drei Messspulen erfasst werden, sequenziell
ausgeführt.
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Mit
der Erfindung wird es möglich,
ein elektrisch leitendes (metallisches) oder ferromagnetisches Objekt,
insbesondere einen Bewehrungsstab, anhand einer Einpunktmessung
genau zu orten. Es wird ein Bestimmen des verborgenen Objekts nicht
nur im Hinblick auf eine Ja/Nein-Antwort, sondern auch im Hinblick auf
seine Tiefe in dem Medium unter einem Messort an der Oberfläche mit
einer preiswerten Sensorvorrichtung mit kleinen räumlichen
Abmessungen möglich.
Das perfekte Funktionieren der induktiven Sensoranordnung gemäß der Erfindung
ist insofern überraschend,
als die entsprechende schräge
120°-Anordnung der Paare
aus Feld- und Messspule ursprünglich
für unmöglich gehalten
wurde, weil für
eine korrekte Entscheidung, wo sich der Bewehrungsstab befindet,
die Form der Detektionskurven ähnlich
sein muss. Die Anordnung gemäß der Erfindung
zeigt überraschenderweise,
dass drei Paare aus Feld- und Messspule einige weitere wesentliche
Vorteile gegenüber
der orthogonalen Doppelpaaranordnung von Paaren aus Feld- und Messspule gemäß dem Stand
der Technik haben, wovon im Folgenden einige aufgeführt werden:
Für den Benutzer
einer handgeführten
Werkzeugmaschine wie eines Bohrhammers führen im Fall von vier Paaren
aus Feld- und Messspule die magnetischen Komponenten einen vollen
Kreis um den Sensorkopf aus. Dies macht es schwer, gewünschte Bohrmarkierungen
zu sehen. Im Fall von drei Paaren aus Feld- und Messspule gemäß der Erfindung
bleibt genügend
Raum, um in dem äußeren Formteil
Einrichtungen zur Verbesserung der Sicht vorzusehen.
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Ferner
braucht die Anordnung dreier Paare aus Feld- und Messspule deutlich
weniger Batteriestrom und führt
folglich zu einer längeren
Batteriebetriebsdauer. Außerdem
kann der drei Spulenpaare aufweisende Sensor um einiges billiger
hergestellt werden, und das Gewicht der kompletten handgeführten Werkzeugmaschine
ist geringer, was am Bohrstück
wesentlich ist, insbesondere deshalb, weil dadurch das Moment auf
das Handgelenk der Bedienungsperson verringert wird.
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Ein
weiterer Vorteil der Anordnung dreier Spulenpaare gemäß der vorliegenden
Erfindung gegenüber den
bekannten Sensoren mit vier Spulenpaaren ist, dass ein einfacher
Algorithmus benutzt werden kann, der nur das S-Kurven-Antwortsignal
und die Buckel-Kurven-Antwortsignale, die später ausführlicher erläutert werden,
benötigt.
Im Gegensatz dazu werden bei einer Anordnung von vier Spulenpaaren
die Antwortsignale von einander gegenüberliegenden Paaren Messspulen
separat verarbeitet, um einen Winkelbereich von ±45° abzudecken, und das zweite
Paar aus Feld- und Messspule, d. h. die gegenüberliegenden Messspulen, ist
erforderlich, um den orthogonalen ±45°-Bereich abzudecken.
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Eine
Sensorkopf- und Messeinheit gemäß der Erfindung
ist einfach im Gebrauch, zuverlässig
und wird auf Grund der Einpunktmessung, die erforderlich ist, auch
ermöglichen,
in beengten Räumen
zu arbeiten.
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Die
folgende Beschreibung bezieht sich auf die Funktionsweise der induktiven
Sensoranordnung gemäß der Erfindung,
wenn ein ferromagnetisches Objekt, z. B. ein Bewehrungsstab, erfasst
wird. Wenn ein eisenfreies, elektrisch leitendes Objekt, z. B. Aluminium,
Kupfer usw., erfasst wird, sind alle Signale jeweils gespiegelt.
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Die
Erfindung und vorteilhafte Ausführungsformen
davon werden ausführlicher
unter Bezugnahme auf die beigefügte
Zeichnung beschrieben, worin
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1 eine
grundlegende Hardware-Konfiguration einer induktiven Sensoranordnung
mit drei Feld-/Messspulen gemäß der Erfindung
in einer Draufsicht auf die Spulenbaueinheiten und rechts einer Schnittansicht
einer der Spulenbaueinheiten, in Richtung der Pfeile X-X gesehen,
zeigt;
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2 eine
schematische Darstellung einer typischen Stromrampenfolge zum Erregen
der drei Feldspulen 1A, 1B und 1C in 1 ist;
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3 die
typische Ausgangsspannung der Messspule 2A in 1 während eines
Erregens der zugeordneten Feldspule 1A durch Stromrampen
zeigt, wenn ein ferromagnetisches Objekt, z. B. ein naher Bewehrungsstab,
erfasst wird;
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4 die
Antwort an der Messspule 2B von 1 darstellt,
wenn während
des Erregens der Feldspule 1A durch Stromrampen eine Störung des
Magnetfeldes auf Grund eines ferromagnetischen Objekts vorhanden
ist, z. B. wenn ein Bewehrungsstab überquert wird;
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5 die
Antwort an der Messspule 2C von 1 darstellt,
wenn während
des Erregens der Feldspule 1A durch Stromrampen eine Störung des
Magnetfeldes auf Grund eines ferromagnetischen Objekts vorhanden
ist, z. B. wenn ein Bewehrungsstab überquert wird;
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6 die überlagerten
Antworten an den Messspulen 2A, 2B, 2C veranschaulicht,
wenn während
des Erregens der Feldspulen 1A, 1B bzw. 1C durch
Stromrampen eine Störung
des Magnetfeldes auf Grund eines ferromagnetischen Objekts vorhanden
ist, z. B. wenn ein Bewehrungsstab überquert wird;
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7 die überlagerten
Antworten an den Messspulen 2A, 2B, 2C veranschaulicht,
wenn während
des Erregens der Feldspulen 1B und 1C, 1A und 1C bzw. 1A und 1B durch
Stromrampen eine Störung
des Magnetfeldes auf Grund eines ferromagnetischen Objekts vorhanden
ist, z. B. wenn ein Bewehrungsstab überquert wird;
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8 überlagerte
Kurvenlinien für
eine algorithmische Signalverarbeitung gemäß der Erfindung zeigt, wobei
die Kurvenlinie S die Summe der drei in 6 einzeln
gezeigten Messspulensignale veranschaulicht, die Kurvenlinie B die
Summe der in 7 einzeln gezeigten sechsten
Messspulensignale zeigt und die Kurvenlinie T ein Beispiel für eine bevorzugte
Detektionsschwellenwertkurve, die später ausführlich erläutert wird, darstellt und
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9 ein
Ablaufplan einer Messroutine entsprechend spezifischen Verfahrensschritten
ist.
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In
der gesamten Beschreibung werden die gleichen Bezugszeichen für Elemente
und Teile entsprechender Ausführungen
oder Funktionen benutzt.
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Zuerst
wird mit Bezug auf 1 eine komplette induktive Sensorspulenbaueinheit
gemäß der Erfindung
beschrieben. Sie besteht aus drei völlig gleichen Spulenbaueinheiten
A, B bzw. C, die in einem definierten Mittenabstand von typisch,
jedoch keineswegs einschränkend,
30 bis 70 mm angeordnet sind. Eine Spulenbaueinheit A, B, C besteht
aus einer Feldspule 1A, 1B bzw. 1C und
einer Messspule 2A, 2B bzw. 2C. Um die
Außenabmessungen
der zwei Spulenbaueinheiten A, B, C zu begrenzen, können die
Querschnittsformen, d. h. die Wicklungsebenen der Feldspulen 1A, 1B, 1C unsymmetrisch
oval sein, wie in 1 gezeigt ist. Die Feldspulen 1A, 1B, 1C werden
so mit zeitsequenziellen Stromrampen angesteuert, dass ein sich
ständig ändernder
Magnetfluss erzeugt wird. Die Feldspule 1A wird angesteuert,
während
die Feldspulen 1B, 1C im passiven Zustand sind.
Dann wird die Feldspule 1B angesteuert, während die
Feldspulen 1A, 1C im passiven Zustand sind. Dann
wird die Feldspule 1C angesteuert, während die Feldspulen 1A, 1B im
passiven Zustand sind. Dadurch wird ein ferromagnetisches Objekt
wie ein Bewehrungsstab R, falls vorhanden, mit drei Magnetfeldmustern
erregt, die von verschiedenen räumlichen
Positionen ausgehen, trotzdem die komplette Spulenbaueinheit in
einer Messposition festgehalten wird. Die Messspulen 2A, 2B bzw. 2C sind
im Inneren angebracht, nämlich
wie gezeigt ist, bezogen auf ihre Achsen orthogonal zu den Feldspulen 1A, 1B, 1C,
sodass es in einer nichtmagnetischen Umgebung keine Induktionsspannung
gibt, die sich in den Messspulen 2A, 2B, 2C ausbildet.
Wenn ein Bewehrungsstab R in die Nähe der Spulenbaueinheit gebracht
wird oder gelangt, wird die Symmetrie des Magnetfeldes gestört, und
die Messspulen 2A, 2B, 2C erzeugen charakteristische
Ausgangssignale.
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Für Erläuterungszwecke
ist es einfacher, die Spannung am Ausgang jeder der Messspulen 2A, 2B, 2C zu
veranschaulichen, wenn der Bewehrungsstab R das obere Ende der kompletten
Spulenbaueinheit überquert.
Die nachstehend mit Bezug auf 3 bis 5 erläuterten
graphischen Darstellungen der Ansprechspannungen sind die gemessenen
Signale für
ein Überfahren
der induktiven Sensorbaueinheit von 1 mit einem
einzelnen Bewehrungsstab R.
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Es
ist ein wesentliches Element der Erfindung, dass durch Analysieren
der gemessenen Signalantworten ein eindeutiger Spannungssatz für jede endlich
kleine Bewegung oder Positionsverlagerung des Bewehrungsstabs R
erhalten wird. Durch Überlagern
der Signalantworten wird es möglich,
den Ort des Bewehrungsstabs R nicht nur in Bezug auf seine Position
vorherzusagen, sondern auch im Hinblick auf seine Tiefe, nämlich durch
Messen der eindeutigen Spannungssätze, insbesondere von neun
Spannungssignalen, wie nachstehend ausführlicher erläutert wird.
Außerdem
funktioniert die oben erläuterte
Spulenkonfiguration für
alle Winkel von Bewehrungsstäben,
d. h. 360° um
die Messposition.
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Die
Ausgangsspannungen der Messspulen 2A, 2B, 2C,
in 3, 4 und 5 veranschaulicht, wurden
gleichzeitig aufgenommen, während
der Bewehrungsstab R von links nach rechts über die Spulenbaueinheit von 1 bewegt
wurde. Die horizontale Achse der Diagramme repräsentiert die Bewegung des Bewehrungsstabs
R und entspricht in diesem Fall, nicht beschränkend, fünf Messungen auf 1 mm Bewegung. Diese
drei Signalsätze
wurden erhalten, während
die Feldspule 1A angesteuert wurde. Typisch, jedoch keineswegs
beschränkend,
haben bei der Zeitdauer jedes Ansteuerungszyklus und der Stromamplitude
wie in 2 gezeigt die Ausgangsspannungen der Messspulen
die gleiche charakteristische Form, während die Feldspulen 1D, 1C angesteuert
werden. Im Besonderen zeigt 3, dass
die Ausgangsspannung der Messspule 2A ansteigt, während sich
der Bewehrungsstab R der Messspule 1A nähert. Während der Bewehrungsstab R über das
obere Ende der Messspule 2A fährt, fällt die Kurvenlinie ab und
geht gegen null. Während
sich der Bewehrungsstab R fortbe wegt, fällt die Spannung weiter ab.
Diese charakteristische Kurve wird "S-Kurven-Antwort" genannt.
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6 zeigt
die S-Kurven-Antworten von den Messspulen 2A, 2B, 2C,
wenn die Spule 1A, 1B bzw. 1C angesteuert
wird. Die Amplitude und Richtung jeder der drei S-Kurven hängt von
der Richtung ab, in der sich der Bewehrungsstab R der Spulenbaueinheit
nähert.
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4 und 5 zeigen
die Antwort an der Messspule 2B bzw. 2C, während die
Feldspule 1A angesteuert wird. Diese Ausgangsspannungen
sind Reaktionen auf eine Störung
eines Magnetfelds in Gegenwart eines Bewehrungsstabs R. Wie bei
der S-Kurve von 3 ist ihre Amplitude von der
Größe und dem
Abstand des Bewehrungsstabs R von der Sensorbaueinheit abhängig. Diese
Ausgangssignale (4, 5), "BUCKEL-Kurven" (B-Kurven) genannt,
sind nicht für
Positionsinformationen verwertbar, sie können aber verwendet werden
und werden verwendet, wie nachstehend beschrieben ist, um einen
Schwellenpegel zum Nachverfolgen der Amplitude der angestrebten
S-Kurven zu erzeugen.
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7 zeigt
die B-Kurven-Antworten von den Messspulen 2A, 2B, 2C,
während
gegenüberliegende Feldspulen
angesteuert werden.
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Wie
aus der obigen Beschreibung offensichtlich ist, wird jede der drei
Messspulen 2A, 2B, 2C drei verschiedene
Ausgangssignale, wovon jeweils eines einer der Feldspulen entspricht,
d. h. ein S-Kurvensignal und zwei B-Kurvensignale, abgeben. Die
genauen Amplituden der drei Signale sind abhängig vom (willkürlichen) Bewehrungsstabwinkel
in Bezug auf die Sensorbaueinheit.
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Aus
der Zusammenfassung des obigen Signalerzeugungsprozesses ist Folgendes
offensichtlich:
Ein Überfahren
der drei Spulen aufweisenden Sensorbaueinheit mit einem Bewehrungsstab
R ergibt drei S-Kurvensignale, eines von jedem Paar aus Feld- und Messspule, und
sechs B-Kurvensignale. Der einzige Unterschied zwischen den Signalen
von A-, B-, und C-Feld-/Messspulen ist eine Zeitverschiebung, die
durch die räumliche
Entfernung zwischen diesen und die Orientierung des Bewehrungsstabs
hervorgerufen wird. Da der Bewehrungsstab R unter irgendeinem willkürlichen
Winkel über
die Sensorbaueinheit fahren kann, werden die Signalamplituden und
die Signalverschiebung relativ zueinander variieren. Deshalb scheint
es für
den Leser weniger verwirrend zu sein, wenn nur eine graphische Darstellung
gegeben wird, die die S- und B-Kurven zeigt.
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Die
nachstehende Tabelle 1 zeigt die Beziehung zwischen der angesteuerten
Feldspule und Messspulenspannungen für jeden Typ des empfangenen
Signals. Tabelle 1
| Angesteuerte
Feldspule | 1A | 1B | 1C |
| Messspulen-Spannung | 2A | S | B | B |
| | 2B | B | S | B |
| | 2C | B | B | S |
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Die
Signalverarbeitung besteht aus einem Summieren der drei S-Signale
und einem Summieren der übrigen
sechs B-Signale. Die Summe S repräsentiert die Position des Bewehrungsstabs
R und die Summe B ist eine Nachverfolgungsschwelle.
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Im
Folgenden wird mit Bezug auf die graphischen Darstellungen von 8 und 9 ein
einfacher, preiswerter Detektionsalgorithmus beschrieben, um die
Detektion eines ferromagnetischen Objekts, z. B. eines Bewehrungsstabs
R, anzuzeigen. Es sind weitere Algorithmen unter Verwendung von
Analog- oder Digitalsignalverarbeitungsverfahren möglich.
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Die
drei in 8 gezeigten Signalkurvenlinien
sind:
- – Die
Kurve S ist die Summe aus den drei S-Kurven wie in 6 gezeigt;
- – die
Kurve B ist die Summe aus den sechs B-Kurven wie in 7 gezeigt;
- – die
Kurve T ist der verarbeitete Schwellenwert, erhalten aus der Kurvenlinie
B und multipliziert mit einem definierten Faktor wie nachstehend
erläutert.
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Der
einfache und leicht zu implementierende Algorithmus, der hier beschrieben
ist, gewährleistet
das Auffinden des ferromagnetischen Objekts (Bewehrungsstabs R)
in drei Schritten. Diese sind:
- 1. Addiere die
drei S-Kurven (6). Die neue Kontur oder Kurve
ist die zusammengefasste S-Kurve S von 8. Das Minimum,
d. h. der niedrigste Punkt dieser S-Kurve ist die Position des Zentrums
des Bewehrungsstabs.
- 2. Addiere die sechs B-Kurven (7). Die
neue Kontur ist die B-Kurve von 8. Multipliziere
zu jedem Abtastzeitpunkt die Kurve B mit einem Gewichtsfaktor α innerhalb
des Bereichs –2 < α < +2, und typisch, jedoch
keineswegs beschränkend,
ist α =
0,1. Die neue Kontur oder Kurve ist die "Schwellenwertkurve" T von 8.
- 3. Vergleiche das Niveau der S-Kurve mit der T-Kurve. Wenn die
S-Kurve negativer als die T-Kurve ist, dann wird davon ausgegangen,
dass ein Bewehrungsstab R detektiert worden ist.
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8 zeigt
die S-, B- und T-Kurven. Während
die S-Kurve negativer als die T-Kurve
ist, befindet sich ein Bewehrungsstab R unter der Sensorbaueinheit.
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In
dem Fall, in dem kein Bewehrungsstab R vorhanden ist oder der Bewehrungsstab
R von der Sensorbaueinheit zu weit weg ist, gehen die neun Grundsignale
im Systemrauschen unter und es gibt keine detektierbare Kontur.
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9 ist
ein Ablaufplan einer Mess- und Signalverarbeitungsroutine. Es gibt
vier wesentliche Zeitabschnitte bei dem Verfahren zum Bewehrungsstabdetektieren:
- – Im
ersten Zeitabschnitt T1 wird die Feldspule 1A erregt; die
Feldspulen 1B, 1C sind im passiven Zustand. Während dieses
Zeitabschnitts T1 werden die Messspulenspannungen bei 2A, 2B, 2C gemessen
und zwischengespeichert.
- – Im
zweiten Zeitabschnitt T2 wird die Feldspule 1B erregt;
die Feldspulen 1A, 1C sind im passiven Zustand.
Während
dieses Zeitabschnitts T2 werden die Messspulenspannungen bei 2A, 2B, 2C gemessen und
zwischengespeichert.
- – Im
dritten Zeitabschnitt T3 wird die Feldspule 1C erregt;
die Feldspulen 1A, 1B sind im passiven Zustand. Während dieses
Zeitabschnitts werden die Messspulenspannungen bei 2A, 2B, 2C,
gemessen und zwischengespeichert.
- – Im
vierten Zeitabschnitt T4, werden die Summe der S-Kurven und die
Summe der B-Kurven digital und analog berechnet, und das Verhältnis der
zwei resultierenden Signale wird verglichen, um zu entscheiden, ob
sich ein Bewehrungsstab R in der Nähe der Sensorbaueinheit befindet
oder nicht.
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Dieser
Mess- und Signalverarbeitungszyklus wird endlos wiederholt.