FI84209C - Metalldetektor. - Google Patents

Description

84209

METALLINILMAISIN

Tämä keksintö koskee metallinilmaisinta, joka on tarkoitettu metalliesineiden ilmaisemiseen laitteen läpi kulkevasta materiaalista pyörrevirtojen indusoiman magneettikentän avulla.

Nykyisten metallinilmaisimien normaaleissa turvasovellutuksissa, kuten lentokenttien turvatarkastuksissa, suurimpana ongelmana on harmittomien esineiden aiheuttamat turhat hälytykset. Laitteiden herkkyys asetetaan yleensä siten, että tietty testiase antaa aina hälytyksen riippumatta aseen asennosta ja paikasta portissa. Herkkyys asetetaan siis portin epäherkimmän kohdan mukaan. Toisaalta herkkyys portin muissa osissa saattaa olla olennaisesti tätä minimiherkkyyttä suurempi,, jolloin pienet harmittomat esineet aiheuttavat turhia hälytyksiä. Väärien hälytysten minimoimisessa portin herkkyysjakauman tasaisuus on olennainen tekijä.

Outokumpu Oy:n kehittämässä metallinilmaisimessa herkkyys-jakaumaa on pyritty tasoittamaan tehostetulla kelasuunnittelulla ja erityisen patentoidun (FI-patentti 74822) kaksikelajärjestelmän avulla. Kelarat-kaisut perustuvat tietokoneavusteiseen suunnitteluun, jossa on simuloimalla tutkittu erilaisia kelaratkaisuja. Metallinilmaisimen keloille asetetaan herkkyysjakauman lisäksi myös muita vaatimuksia, kuten tietyt sähköiset parametrit, rajattu koko, tuotantokustannukset, kyky torjua ulkoisia häiriöitä. Pelkällä kelasuunnittelulla ei lopputulos ole siten olennaisesti parannettavissa.

Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on poistaa tekniikan tason mukaisia haittapuolia ja aikaansaada entistä parempi metallikappaleiden ilmai-sinlaite, jossa harmittomien esineiden aiheuttamia turhia hälytyksiä voidaan olennaisesti vähentää. Keksinnön olennaiset tunnusmerkit selviävät oheisesta patenttivaatimuksesta 1.

Keksinnön mukaisesti edullisesti esimerkiksi FI-patentin 74822 mukaisen kelajärjestelmään tai vastaavaan pulssitoimiseen kelajärjestelmään ja/tai kelajärjestelmän läheisyyteen, joka kelajärjestelmä käsittää lähetinkela-järjestelmän sekä sitä vastaavan vastaanottokelajärjestelmän, sijoitetaan sähköä johtava ja/tai magneettinen kappale, jolla kelan magneettikentän 2 84209 paikallista ja/tai ajallista käyttäytymistä voidaan muuttaa. Tällainen passiivinen magneettikentän muokkain on esimerkiksi oikosulkusilmukka, johon on kytkettävissä passiivisia komponentteja, kuten vastuskonden-saattori ja/tai kela. Passiivisena kentänmuokkaimena voidaan käyttää 5 myös metallilevyjä.

Tarkastellaan yksinkertaisuuden vuoksi esimerkkinä oikosulkusilmuk- kaa, joka on sijoitettu lähetinkelan läheisyyteen. Silmukkaan indusoituu virta I , joka voidaan esittää seuraavasti m ’ 10 lm = (-jwMlt)/(Rm + iwLm) , (1) missä j = imaginääriyksikkö w = kulmataajuus (2'7'f) 15 M = lähettimen ja muokkaimen keskinäisinduktanssi lt = lähetinvirta R = kentänmuokkaimen resistanssi m L = kentänmuokkaimen iduktanssi m 20 Havaitaan, että jos tekijä wl_m on huomattavasti suurempi kuin tekijä R , kentänmuokkaimeen indusoitunut virta ei riipu taajuudesta ja on samassa vaiheessa (tai vastakkaisessa) kuin lähetinvirta. Metallinilmaisimissa tämä voidaan saavuttaa esimerkiksi käyttämällä kuparijohdinta, jonka halkaisija on 8 - 12 mm. Tapauksissa, joissa kaavan (1) ninittä-25 jässä termi R on merkittävä, muokkaimeen indusoituvan virran vaihe poikkeaa lähettimen virran vaiheesta. Metallinilmaisimessa tällainen tilanne voidaan saavuttaa käyttämällä riittävän ohuesta langasta valmistettua oikosulkusilmukkaa, tai kytkemällä silmukan päät vastuksen avulla yhteen.

30

Edellä tarkasteltiin esimerkinomaisesti oikosulkusilmukkaa kentänmuokkaimena. Vastaavalla tavalla käyttäytyy metallilevystä valmistettu muokkain. Jos levy on ohut, muokkain on vaihetta kääntävä. Jos levy on paksu, muokkain ei käännä vaihetta.

35 3 84209 Sähkömagnetismin yleisen vastavuoroisuusperiaatteen mukaan muokkain toimii edellä esitetyn kaltaisesti myös sijoitettuna vastaanottokelan läheisyyteen. Itse asiassa muokkain aina vaikuttaa sekä lähetin- että vastaanotinkelan toimintaan. Tarvittaessa muokkaimia voidaan yhdessä 5 metallinilmaisimessa käyttää myös useita.

Passiivisia kentänmuokkaimia on kahta päätyyppiä, vaihetta kääntäviä ja vaihetta kääntämättömiä. Vaihetta kääntämättömissä kentänmuokkaimissa niihin indusoitunut virta on aina samassa vaiheessa varsinaisen kelan 10 virran kanssa, jolloin kentännuokkain muuttaa efektiivisesti ainoastaan kelageometriaa. Tällaista kentänmuokkainta voidaan käyttää esimerkiksi metallinilmaisimen herkkyysjakauman tasoittamiseen metallinilmaisimen poikittaissuunnassa.

15 Harmittomien esineiden aiheuttamien, turvallisuuden kannalta aiheettomien hälytysten välttämiseksi joissain tapauksissa halutaan metallinilmaisimen herkkyyttä paikallisesti pienentää. Näin on esimerkiksi sovellutuksissa, joissa metallinilmaisimen kautta kulkevat henkilöt käyttävät runsaasti metallia sisältäviä turvakenkiä. Tällöin kelojen alaosaan sijoi-20 tetaan kelat peittävä ja magneettikentät oikosulkeva metallilevy, esimerkiksi alumiinilevy.

Kuten edellä on kuvattu, kentänmuokkain vaikuttaa myös kentän vaiheeseen, mikäli siihen indusoitunut virta ei ole samassa vaiheessa 25 kelan virran kanssa. Näin voidaan vaikuttaa paikallisesti kentänmuok-kaimen kohdalla pulssitoimisen metallinilmaisimen ajoitukseen. Tällöin voidaan pienentää paikallisesti esimerkiksi ei-magneettisten, kuten alumiinia sisältävien esineiden tuottamaa vastetta.

30

Keksintöä selostetaan lähemmin seuraavassa viitaten oheisiin piirustuksiin, joissa

Kuvio 1 esittää erästä keksinnön edullista sovellutusmuotoa sivultapäin katsottuna, 35 Kuvio 2 esittää toista keksinnön edullista sovellutusmuoto sivultapäin katsottuna 4 84209

Kuvio 3 esittää kuvion 2 mukaisen sovellutusmuodon vaikutusta vastaanottokelan herkkyysjakaumaan,

Kuvio 4 esittää vielä erästä keksinnön edullista sovellutusmuotoa akso-nometrisena kuvantona.

5

Kuvion 1 mukaisesti olennaisen lähelle metallinilmaisimen lähetinkelajär-jestelmää 1 ja olennaisesti kelajärjestelmän suuntaiseksi on sijoitettu kelajärjestelmästä 1 sähköisesti eristetty kappale 2, joka on valmistettu esimerkiksi halkaisijaltaan 10 mm olevasta kuparilangasta. Kappaleeseen 10 2 kelajärjestelmästä 1 indusoituva virta on tällöin samavaiheinen lähe- tinvirran kanssa, jolloin kappaleen 2 vaikutus muuttaa kelajärjestelmän 1 geometriaa ja siten metallinilmaisimen herkkyysjakaumaa.

Kuvion 2 mukaisessa sovellutusmuodossa olennaisen lähelle metallinilmai-15 simen vastaanottokelajärjestelmää 3 ja olennaisesti kelajärjestelmän suuntaiseksi on sijoitettu kelajärjestelmästä 3 sähköisesti eristetty kappale 4, joka on valmistettu esimerkiksi alumiinifoliosta, jonka paksuus on 10-100/<m, riippuen siitä, kuinka suureksi kentänmuokkai-mena toimivan kappaleen 4 vaikutus halutaan. Koska kappale 4 on 20 ohut, kappaleeseen indusoitunut virta eroaa vaiheeltaan kelajärjestelmän 3 lähetinvirrasta, jolloin kappale 4 samalla muuttaa myös magneettikentän vaihetta. Tällaista kappaleen 4 aiheuttamaa vaihe-eroa käytetään edullisesti hyväksi esimerkiksi haluttaessa pienentää metallinilmaisimen läpi menevien alumiinisten kappaleiden tuottamaa vastetta.

25

Kuvio 3 esittää skemaattisesti kuvion 2 mukaisen keksinnön edullisen sovellutusmuodon vaikutuksen rautaa sisältävän kappaleen 13 ja alumiinia sisältävän kappaleen 14 herkkyysmuutosta viiveen funktiona, kun magneettikentän vaihetta muutetaan. Kun mittausajankohta, mittausik-30 kuna 15, pysytetään samana ilman vaihe-eroa vallitsevaan tilanteeseen nähden, kuviosta 3 voidaan nähdä, että pilkkuviivoin kuvatut käyrät vaihe-eroltaan käyriin 13 ja 14 nähden muutetut käyrät 16 ja 17 tuottavat mittausikkunan 15 kohdalla vastemuutoksen. Muutos alumiinia sisältävillä kappaleilla on pienempi ja rautaa sisältävillä kappaleilla suurempi 35 ilman vaihe-eroa tapahtuvaan mittaukseen nähden.

5 84209

Kuviossa 4 keksinnön mukainen kentänmuokkain 5 on sijoitettu metallinilmaisimen lähetinkelajärjestelmän 6 ja vastaanottokelajärjestelmän 7 väliseen tilaan, metallinilmaisimen ilmaisuvyöhykkeelle, edullisesti sen alaosaan olennaisesti kelajärjestelmiin nähden kohtisuoraan asentoon.

5 Kentänmuokkaimena toimiva kappale 5 on edullisesti valmistettu paksuudeltaan 2-5 mm olevasta alumiinilevystä ja kappaleen 5 avulla saadaan magneettikentän kappaleen 5 suuntainen komponentti 8 kaksinkertaiseksi, samalla kun magneettikentän normaalikomponentti 9 häviää kappaleen pinnasta. Käytettäessä lähetinkelajärjestelmän 6 ja vastaanottokelajärjes-10 telmän 7 välisessä tilassa levymäisen kappaleen 5 sijasta esimerkiksi metallilangasta muodostettua silmukkaa voidaan myös magneettikentän normaalikomponenttia käyttää hyväksi ilmaisussa. Jotta esimerkiksi kuviossa 4 esitetty metallinilmaisin toimisi, on siihen sähköisesti liitettävä virransyöttöelimet 10 sähkövirran johtamiseksi lähetinkelajärjestel-15 mään 6. Edelleen vastaanottokelajärjestelmään 7 on sähköisesti liitettävä signaalien käsittelyelimet 11 sekä hälytyselin 12, jotta ainakin ei-toivo-tut metallikappaleet voidaan ilmaista.

Vaikka edellä on kuvattu keksinnön edullisia sovellutusmuotoja eri 20 kuvioissa, voidaan näitä eri sovellutusmuotoja myös yhdistää monin eri tavoin halutusta metallinilmaisimen herkkyysjakaumasta riippuen.

Claims (11)

1. Metallinilmaisin, joka käsittää lähetinkelajärjestelmän (1,6) ja vastaanottokelajärjestelmän (3,7) ja jossa lähetinkelajärjestelmää (1,6) käytetään paikan funktiona suuntaansa ja suuruuttaan muuttavien ensiökenttien synnyttämiseksi, jotka puolestaan synnyttävät pyörrevir-toja ko. ensiökentissä liikkuvaan kappaleeseen ja kappaleen toisiokenttä puolestaan indusoi signaalin vastaanottokelajärjestelmään (3,7)‘sekä välineet (11,12) signaalien vahvistamiseksi ja käsittelemiseksi, tunnettu siitä, että metallinilmaisimen lähetinkelajärjestelmän (1,6) ja vastaanottokelajärjestelmän (3,7) väliselle alueelle on asennettu ainakin yksi sähköisesti eristetty, mutta sähköä johtava ja/tai magneettinen kappale (2,4,5) metallinilmaisimen herkkyysjakauman muuttamiseksi.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite, tunnettu siitä, että kappale on asennettu olennaisen lähelle lähetinkelajärjestelmää (1,6).

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite, tunnettu siitä, että kappale (2,4,5) on asennettu olennaisen lähelle vastaanottokelajärjestelmää (3,7).

4. Patenttivaatimusten 1, 2 tai 3 mukainen laite, tunnettu siitä, että kappale (2,4,5) on asennettu olennaisesti kelajärjestelmän suuntaiseksi.

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite, tunnettu siitä, että kappale (2,4,5) on asennettu kelajärjestelmään nähden olennaisesti kohtisuoraan asentoon.

6. Jonkin edelläolevan patenttivaatimuksen mukainen laite, tunnettu siitä, että kappale (2,4,5) on muodoltaan silmukka.

6 84209 PATENTTI VMTIMUKSET

7. Jonkin patenttivaatimusten 1-5 mukainen laite, tunnettu siitä, että kappale (2,4,5) on muodoltaan levymäinen. 7 84209

8. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite, tunnettu siitä, että kappale (2,4,5) aikaansaa metallinilmaisimen herkkyys jakauman muutoksen kelageometrian avulla.

9. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite, tunnettu siitä, että kappale (2,4,5) aikaansaa metallinilmaisimen herkkyysjakauman muutoksen magneettikentän vaiheen avulla.

10. Jonkin patenttivaatimuksen 1-9 mukainen laite, tunnettu siitä, että kappale (2,4,5) on valmistettu kuparista.

11. Jonkin patenttivaatimuksen 1-9 mukainen laite, tunnettu siitä, että kappale (2,4,5) on valmistettu alumiinista.·