JP5259630B2 - 交番電磁場に影響を与える物体、特に金属製の物体を、識別するための方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１および１２の前段部によれば、物質の流れが予め定められた速度で一方向に移動する運搬経路上に設けられたコイルを用いて、交番電磁場に影響を与える物体(object、対象物)、とりわけ金属製の物体を、識別するための方法および装置に関するものであり、該物質の流れは、導電性および／または強磁性(ferromagnetic)の物体を含み得るものである。さらに、本発明は、物体を物質の流れから分類する分類プラントを含む。

時間で変化する電流Ｉ_p がコイルＳを流れた場合、該コイルの周囲には電磁場Ｈ_p が形成される（図１参照）。該コイルの近傍に導電性の物体Ｏが配置された場合、電磁誘導の原理に基づいて、渦電流(eddy current)Ｉ_w が該物体の表面上や表面近傍の層内に誘導される。よって、電流密度は、深さが増すにつれて減少する。渦電流Ｉ_w は、二次の電磁場Ｈ_S となる。二次の電磁場Ｈ_S は、一次の場(primary field)Ｈ_p とは逆方向であるために、該一次の場Ｈ_p を弱める。この効果は、渦電流効果とも呼ばれており、図１に示される。渦電流効果の結果、導電性の物体ＯをコイルＳに近づけると、正弦波状の(sinusoidal)電流Ｉ_p が加えられるコイルＳのインダクタンスＬ_S は減少する。同時に、コイルＳの抵抗成分Ｒ_S は増大する。よって、Ｌ_S およびＲ_S は、コイルＳのコイルインピーダンスＺ_S を示す等価電気回路図の直列接続成分である。次式が適用される。
Ｚ_S ＝Ｒ_S ＋ｊω・Ｌ_S

しかし、導電性の物体Ｏが強磁性の材料から形成される場合、渦電流効果に加えて該物体Ｏの磁化が生じる。その結果、無視できない更なる磁場Ｈ_m が形成される（図１参照）。この磁場Ｈ_m は、一次の場Ｈ_p とそろっているために、該一次の場Ｈ_p を増幅する。この効果は強磁性効果と呼ばれ、渦電流効果と干渉し合う。通常、強磁性効果は渦電流効果よりも強く、これによりコイルＳの上述の等価回路図においてインダクタンスＬ_S が増大し、かつ、オーミック抵抗Ｒ_S が増大する結果となる場合が多い。

Mallwitz R. による論文「Analyse von Wirbelstromsignalen mit problemangepassten Funktionen fur die zerstorungsfreie Materialprufung」、カッセル大学、２０００年、では、渦電流効果および強磁性効果を用いることによる、材料の性質の判定に関する従来技術が説明されている。これによると、渦電流は、一方では、導電性σや比透磁率μ_r といった物体の性質、即ち、物理的な材料特性に依存し、また、渦電流範囲内における表面条件や均質性、例えば、物体の大きさや形状等にも依存し、他方では、励起（一次の磁場強度Ｈ_p と周波数）および物体間同士の間の距離にも依存する。

通常、渦電流は、励起コイルによって導電性の物質内に誘導され、結果として生じた磁場により一次の場は影響を受ける。この影響により、一方では、励起コイルのインピーダンスが変化する（パラメトリック原理）。この変化は測定可能である。しかし、他方では、追加的な二次コイルに誘導された電圧もこの影響により変化する（変換(transformational)原理）。正弦波電流による励起コイルの励起が、最も一般的である（単一周波数法）。このような場合、コイルは、通常では、発振回路の構成要素(component)であり、大抵の場合、直列発振回路の構成要素である。導電性の物体がコイルの場の有効範囲に進入すると、回路内の電流および電圧が変化する。

この原理とは無関係に、測定量は、絶対的に（絶対的な構成(absolute arrangement)）、または、参照センサーに対する差動信号（差動的な構成(differential arrangement)）として、測定可能である。

励起コイルの励起は、パルス電流によっても発生し得る（パルス誘導法）。

欧州出願ＥＰ １ ３４７ ３１１ Ａ２によって、特定の材料特性を有する金属製の物体、とりわけ、非鉄金属をそれら自体の間から分類する方法が公知であり、それは、数個のパルス誘導単一プローブを用い、それによって検出器を構成しかつ金属製の物体の誘導信号を感知するものであり、この方法により、金属製の物体から発せられる誘導信号の変化が分類のために評価される。

ドイツ出願ＤＥ １９８ ３８ ２４９ Ａ１によって、金属粒子を分類するための分類プラントが公知であり、このプラントによれば、どの材料が金属粒子を含むかを判定することが可能なはずである。このプラントは、複数の単一プローブを高空間分解能を持ったアレイ構成に含む検出器から構成される。粒子は、０．１ＭＨｚから１．０ＭＨｚまでの範囲の周波数の交流磁場を通過する。磁場を低減させる渦電流が金属粒子内に発生する。磁場におけるこれらの変化は、磁気抵抗センサーにより検出され、電子信号へと変換され、分析される。しかし実際には、この検出器の感度とその目的のために生成される信号数列は、例えば、非鉄金属をそれらの間から信頼できる程度に分類するためには十分ではない。さらに、該検出器は比較的高価である。

互いに色が異なる金属、即ち、非鉄金属を互いから分類することが可能な装置および方法が、ドイツ出願ＤＥ １００ ０３ ５６２ Ａ１に記載されている。非鉄金属同士の間での識別は、カメラとして構成された光センサーによってのみ可能となり、従って、金属片は照明されなければならない。自由落下状態にある多量の物質の流れを分類することが可能な複数の空気ノズルが、分類のために設けられている。実際には、金属探知器として構成された第二の検出器も設けられているが、この検出器は、異なる非鉄金属を互いから識別することができない。この金属探知器は、鉄類金属と非鉄金属とを互いから識別することのみが可能である。したがって、この金属探知器は実際には光センサーとの組み合わせにおいてのみ使用可能である。光センサーは、金属をそれらの外観によってのみ識別し、それらの電磁特性によっては識別しない。

分類すべき材料を、レーザー照射または放射能照射によって蒸発させる方法も周知である。しかし、これらの方法は、比較的高価である。

さらに、いわゆる磁気的分離器(magnetic separator)を用いて強磁性材料をその他の複合材料からあらかじめ分類し、その後残った全ての金属を渦電流分離器によって分離することが公知であり一般的である。

単一周波数法による信号評価は、通常、正弦波コイル電流のピーク値（「振幅」）、および／または、該正弦波コイル電流の、コイルの励起電位（その励起電位も正弦波である）に関する位相シフト（「位相」）を評価することにより行われる。一般的に、振幅測定には、処理後に最大値を記憶する整流回路、スキャンホールド素子、または、同期整流器が用いられる。位相シフトを測定するには、位相感知整流器（同期整流器）が通常用いられる（オーストリア出願ＡＴ ５０１６６９、または、Tietze， U. および Schenk, CH. 著「Halbleiter - Schaltungstechnik」第１１改訂新版（１８９９年）、ｐ．１０５８、１２１２−１２１８を参照）。

しかし実際には、測定された渦電流データから情報を信頼できる程度に取得することは、依然として、材料を選ぶ渦電流測定技術の課題となっている。この理由は、根本となる物理現象の複雑性に見出される。従って、わずかな例外的場合を除き、普遍的に有効な形式で信号形成過程を記述することは、現在のところ可能ではなく、その説明を数学的に反転することは可能ではない（前出の Mallwitz, R. 参照）。

従って、本発明は、交番電磁場に影響を与える物体、とりわけ金属製の物体を、識別し、物質の流れの中の前記物体同士の中から迅速かつ的確に識別することができ、必要とするハードウェア費用が少額である方法および装置を提供するとの課題に基づく。さらに、識別方法に対する、識別されるべき物体の大きさ、厚さ、および形状による影響を、最小限度にすることである。当該装置は、簡易、頑丈、かつ、フェールセーフ(fail-safe)な構成であり、非常に効率的な方法で振幅・位相信号を再現することができ、同時に、アナログ−デジタル変換を行うことにより、例えば、上記オーストリア出願ＡＴ５０１６６９に記載されるような、同期整流器、位相弁別器、および、ローパスフィルタを含む従来構成に比較して、迅速性、コスト、および簡易な構成という点において利点を有する。

本発明は、請求項１の特徴を持った、交番電磁場に影響を与える物体を識別するための方法によって、同じく、請求項１２の特徴を持った、交番電磁場に影響を与える物体を識別するための装置によって、提示された課題を解決する。本発明の有利な実施形態は、下位クレームから得られる。さらに、本発明は、本発明による装置を少なくとも一つ有する、交番電磁場に影響を与える物体を識別するための分類プラントを有する。

比較器の窓(comparator window)、即ち、窓比較器(window comparator )の窓の入口点の出口点の値が、コイル電流の信号中心線に関して、特にゼロ線に関して、対称に配置されるならば、傾きを計算するための直線の比(linear rations)が、前記範囲において得られ、計算が簡単になる。

可能な限り形態的アーチファクト(morphological artefacts)を排除するべく、離散的な測定位相において決定される少なくとも一つのピーク値が、物体の材料を識別するための基準サンプルの対応するピーク値と、好ましく比較される。

測定の感度を高めるためには、物体がコイルに最も接近したときに発生する位相差の最大角に近い、少なくとも一つの測定位相が選択されると有利である。しかし、測定位相角と位相差の最大角との間の間隔は、物質の流れの中に存在する最小の物体についても、少なくとも、それが得られるような大きさであることが好ましい。

本発明のさらなる利点は、物質の流れの既知の速度に関して、測定位相角に達した瞬間を、物質の流れから物体を排出する基準の瞬間として用いることができることである。

物体の大きさに関する判断が得られるように、位相差の最大角を決定することが意図されている。そのように行う場合、物質の流れの既知の速度に関して、位相差の最大角が達成された瞬間を、物質の流れから物体を排出する基準の瞬間として用いることができる。

物体の材料をさらに的確に評価するためには、電流プロフィールのピーク値と位相シフトとから、値の組を周期的に検出することによって、互いに異なる位相角について点ごとに、それぞれの軌跡曲線が受け取られ、基準軌跡曲線との比較を通じた評価のために用いられる。

さらに、最初に、励起電位分布と、物体による影響を受けていない状態のコイルの電流プロフィールとからオフセット位相を決定し、それに引き続いて、オフセット位相に電流プロフィールの測定位相角を関連付けることにより、標準化を行うことができる。

それぞれに、１ｋＨｚから１ＭＨｚまで、好ましくは５から１００ｋＨｚまで、最も好ましくは１０から５０ｋＨｚまでの、励起周波数または測定周波数ｆ_M において、本発明は優れた動作をすることが明らかになっている。

物体の大きさと形状による影響を最小化するためには、コイル直径は、識別されるべき物体の平均直径よりも小さく選択されるべきである。

本発明の更なる利点は、以下に続く発明の典型的実施形態の詳細な説明から明らかになる。しかし、本発明は、これらの実施形態に限定されない。

発明の範囲を限定しない典型的な実施形態に基づき、図面を参照して、本発明を以下により詳細に説明する。

図１は、コイルにより生成された交番電磁場における、渦電流効果と強磁性効果の作用の原理を示す図である。 図２は、軌跡曲線および選択されたフェーザー(phasor、位相線）ダイヤグラムを示す図であって、そこから、導電性および／または強磁性の物体によってコイルに引き起こされるインピーダンスの変化が得られる。 図３は、本発明による信号評価方法を説明するための、電圧−電流図を示す図である。 図４は、本発明による交番電磁場に影響を与える物体を識別するための装置の実施形態の概略ブロック図を示す図である。 図５は、図４の装置に用いられる比較器の出力信号の信号ダイヤグラムを示す図である。 図６は、本発明による分類プラントの概略図を示している。

本発明は、冒頭に述べたパラメトリック原理に従った単一コイルのプロセスに基づく。従って、一定周波数の正弦波励起電位によってコイルＳが励起された場合、または、正弦波電流Ｉ_p がコイルＳを流れた場合、コイルの周囲に発生した電磁場Ｈ_p が、コイルＳ近傍の導電性および／または強磁性の物体Ｏと、それぞれ渦電流効果および強磁性効果によって、相互作用をし始めるという事実が用いられる。この相互作用は、コイルＳのインダクタンスＬ_S および抵抗成分Ｒ_S を変化させ、従って、コイルＳのコイルインピーダンスＺ_S ＝Ｒ_S ＋ｊω・Ｌ_S を変化させる。

以下詳述する図４のブロック図から分かるように、該図は、交番電磁場に影響を与える物体を識別するための本発明による装置の一態様を示しており、下記により詳細説明をするが、励起コイルＳがキャパシターＣと接続されて発振回路を形成している。つまり、本例においては、励起コイルＳは、キャパシターＣと直列接続されて直列発振回路を形成する。該発振回路には、一定振幅かつ一定周波数、好ましくは、その固有周波数の正弦波交流電圧ｕ_e(t)がかけられ、従って、電流ｉ₀(t)がコイルＳに、従って、直列発振回路に流れる。該電流は、励起電位に対してオフセット位相角φ_OS だけ位相がシフトしている。

導電性および／または強磁性の物体がコイルＳにより生成された電磁場の影響範囲に進入した場合、物体の材料に依存するコイルインピーダンスの変化は、電流の振幅を変化させ、同時に位相をシフトさせる。振幅と位相におけるこれらの変化は、複素数交流計算により評価することが可能である。もしも、コイルＳから予め定められた距離ｚ（コイル軸ＳＡの方向に測定したもの）において、物体の中心点（重心）が直線的（方向ｘ；図６参照）にガイドされてコイルの中心点（コイル軸ＳＡ）を通り越すという様にして、該物体ＯがコイルＳを通り越したならば（つまり、コイルＳより上方もしくは下方において、コイルＳを通り越したならば）、物体ＯのコイルＳに対するｘ方向の相対位置に依存して、コイル電流の量および位相における変化の材料特性数列(material characteristic progression)が得られる。

ｘ方向に移動する物体Ｏに関して、ｘ→−∞からｘ＝０を通ってｘ→＋∞へと至る経路における、量（振幅および／またはピーク値）Ａ１(x)および位相φ(x)の値の全組を複素数平面にフェーザーダイヤグラムとして描画するならば、物体の位置ｘを持った軌跡曲線(locus curve)Ａ１が、引数(argument、偏角)として得られる。図２は、上記の局所曲線(local curve)Ａ１と、第二の物体に関する第二の局所曲線Ａ２とを複素数平面において示している。第二の物体を形成する材料 Mat２は、その導電性および強磁性において、第一の局所曲線Ａ１が得られた第一の物体Ｏを形成する材料 Mat１とは異なる。

より明瞭性を期すべく、図２のダイヤグラムでは、カバーされていないコイルＳのオフセット位相φ_OS は、即ち、コイルＳの影響範囲内に物体Ｏが位置していない場合、換言するとｘ→±∞である場合は、φ_OS ＝０と決定され、そして、それによって決まったコイル電流ｉ₀(t)の量Ａ(φ_OS)は１００％に標準化されている。

図２から次のことが明らかである。それは、物体Ｏが、大きな距離（ｘ→−∞）からコイルＳへと向かって移動する場合に、位置ベクトルＡ１(x)の先端は、開始点Ａ１(φ_OS)から動き始めて軌跡曲線Ａ１に沿って移動し、物体Ｏがコイルの中心点（ｘ＝０）に到達したときに最大位相シフトφ_max である反転点Ａ１(φ_max)に到達するということである。強磁性効果が優勢（μ_r ＞＞１、鉄等）である場合、位相シフトφ(x)は、正の値であるが、渦電流効果が優勢（μ_r ≒１、非鉄金属等）である場合は負の値である。μ_r ＞１（たとえば１０、ステンレス鋼等）である場合、φ(x)は、正の値にも負の値にもなり得る。

物体Ｏがコイルの中心点（ｘ＝０）を通り越した場合、つまり、コイルＳから離れていく場合、位置ベクトルＡ１(x)は、理想的には軌跡曲線Ａ１の開始点Ａ１(φ_OS)へと再び達するべく軌跡曲線Ａ１の反転点Ａ１(φ_max)から折り返し、物体間の大きな距離を持つ（ｘ→＋∞）。勿論、第二の軌跡曲線Ａ２に対しても、同じことが同様に適用される。

形態的なアーチファクトを可能な限り除去すべく、本発明においては、不連続位相（測定位相φ_M）に関する補間的方法により電流の量を測定し、それらを基準サンプルの対応する量に比較することが意図されている。

高感度を目的として、測定位相φ_M は、点ｘ＝０の近傍に設定するべきであり、加えて、ｘ＝０の瞬間は、物質の流れ２の速度ｖが既知である場合には、分類プラント１における物質の流れ２から物体を排出するための単純な基準として用いることが可能である（図６参照）。

本発明の更なる実施形態では、物体が点ｘ＝０に位置するときに得られる位相差の最大角φ_max を決定することが意図されている。位相差の最大角φ_max が得られる瞬間も、物質の流れ２の速度ｖが既知であるので、分類プラント１における物質の流れ２から物体を排出するための基準として用いることが可能である。

それぞれの予め定められた測定位相角φ_M について、振幅Ａ１(φ_M)および振幅Ａ２(φ_M)は、それぞれに、各物体Ｏの材料 Mat１および Mat２のための指標(indicator)である。振幅Ａ１(φ_M)と振幅Ａ２(φ_M)との差が大きいほど、したがって、測定感度が高いほど、測定位相角φ_M は、位相差の最大角φ_max に近く設定される。しかし、位相差の最大角φ_max は、とりわけ物体Ｏの大きさに依存するので、測定位相角φ_M は、実際にはあまりに大きい角度に選択されてはならない。なぜなら、あまりに大きく選択されれば、小さい物体Ｏに関しては測定位相角が得られない可能性があるからである。反対に、大きい物体に関しては、物体ＯがコイルＳを部分的に覆った時点で、つまり｜ｘ｜＞０の時点で、すでに所定の測定位相角φ_M が得られている可能性がある。しかし、これは、物体Ｏの識別性に関して不利な点とはならない。

軌跡曲線Ａ１およびＡ２の形状は、とりわけ以下の影響変数(influencing variable)に依存する。
● コイルの影響変数
○ 測定周波数ｆ_M （＝励起電位および／またはコイルを流れる電流の周波数）
○ 一次の場の強度Ｈ_p
○ コイルの直径、形状、および巻き数
○ コイルと物体との構造体軸方向における距離
● 物体の材料固有の物理的影響変数（＝測定量）
○ 比透磁率μ_ｒ （一次の場を増幅する二次の場の生成に影響する）
○ 導電性σ（渦電流効果に影響する）
● 物体の形態的な影響変数
○ 大きさ、厚さ、形状、表面条件、渦電流範囲での均質性、体積
● 外乱変数
○ 物体間の距離の変動、干渉場(interference fields)、ノイズ、物体の動き、温度、非線形性等

本発明によれば、本発明による測定に上述の影響変数を利用するために、次の方策が提案される：
測定周波数ｆ_M が一定に維持され、それは、１ｋＨｚから１ＭＨｚまでの間の値、好ましくは５から１００ｋＨｚまでの間の値、最も好ましくは１０から５０ｋＨｚまでの間の値が、試験に合格した。周波数を最適化することにより、一方では、期待される侵入深さが選択すべき材料の表面状態の影響を可能な限り最小化するが、しかし、他方では、十分に薄い物体が確実に識別される（厚さによる影響が最小化される）。

一次の場の強度Ｈ_p は、一定かつ可能な限り高くあるべきである。

コイルの直径ｄは、コイルからの物体の必要とされる軸方向距離ｚが得られるように、しかし、物体の大きさおよび形状による影響が最小化されるように最適化される。これを達成するべく、識別されるべき物体の平均直径よりも小さいコイル直径を選択することが推奨されるが、しかし、コイルの感度は、コイル直径が小さくなるほど減少することが考慮されねばならない。

コイルの形状は、実験的に、有限要素法（ＦＥＭ）により最適化される。

構造的に、コイルからの物体の軸方向距離は、可能な限り一定に維持される。

物体の形態的な影響変数、特に物体の大きさ、厚さ、体積、および形状による影響は、本発明による以下に記載の測定方法により最小化することができ、物体の表面条件による影響は、構造的手法（コイルの形状）により物体の広い範囲において最小化される。

現在のところ、渦電流の範囲における均質性による影響は、いまだに制御不可能であるが、本発明を実際に活用するに際しては無視できる。

外乱変数に関しては、本発明による装置は、それらによる干渉に対して非常に耐性があることが判明している。

図３の電圧−電流図に基づいて、本発明による信号評価方法を説明する。その後に、本発明による、交番電磁場に影響を与える物体を識別する装置における、当該方法の実施について説明する。

当該信号評価は、軌跡曲線が点ごとに決定される非常に効率的な方法に基づいている。最も簡単な場合においては、不連続測定位相φ_M を特定し、当該測定位相φ_M に達した時に補間的方法で電流ｉ_M(t)の量（振幅）

を計算することにより軌跡曲線の唯一つの点を決定し、評価するだけでよい。基準値との比較により、一組の値、つまり測定位相φ_M と量

から、物体Ｏの材料を推測することができる。

本発明による評価方法においては、システムによって決められている通り、励起コイルＳの励起周波数ｆ_M によりサンプリング周波数が決定される（１周期あたり１回測定）。従って、励起周波数ｆ_M は、一定に維持される。

最初に、電流ｉ₀(t)のゼロ交差ｐ２が、従って直列発振回路のオフセット位相φ_OS が、覆われていないコイルＳ、即ち、覆われていない直列発振回路の励起電位分布ｕ_e(t)と電流プロフィールｉ₀(t)とからそれぞれ計算される。参照文字ＮＬによって、励起電位ｕ_e(t)のゼロ交差を表す。更なる考察のために、上記のオフセット位相φ_OS を０度と仮定してよい。物体ＯがコイルＳの影響範囲に入ると、位相φ(x)は、物体Ｏのｘ位置に応じて変化し、従って、電流プロフィールも変化する。位相φ(x)がオフセット位相φ_OS から予め定められた測定位相角φ_M だけ外れると、図３に示す電流プロフィールｉ_M(t)は自動調整される。ゼロ交差検出器（電流または電圧の比較器）と、一定のカウント周波数のデジタル・カウンタとを用いて、電流プロフィールｉ_M(t)のゼロ交差ｐ５を測定することにより、測定位相角度φ_M の決定が行われる。励起周波数（測定周波数）ｆ_M が既知であるので、二つのゼロ交差ｐ２とｐ５の間の時間から測定位相角φ_M を計算することができる。

電流プロフィールｉ₀(t)の量とｉ_M(t)の量（本明細書においては、振幅およびピーク値とも呼称される）は、一定の窓幅Δｉを有し、信号中心線（ここではゼロ線）に関して対称な窓比較器(window comparator)を用いて、正弦波状の電流プロフィールｉ₀(t)およびｉ_M(t)の傾きを測定することにより計算され、該プロフィールは、ともに既知の周波数を有し、ゼロ交差にて線形化されている。より詳細には、電流プロフィールｉ₀(t)については、窓比較器への入口点ｐ１と、窓比較器からの出口点ｐ３とが、窓比較器により測定され、窓の入口点ｐ１と窓の出口点ｐ３の間の時間Δｔ₀ がタイマー（該タイマーは、例えば、一定のカウント周波数のデジタルカウンタとして実施される）によって検出される。正弦波電流プロフィールｉ₀(t)の点ｐ１と点ｐ３との間の線形的な数列により、ゼロ交差ｐ２における電流プロフィールｉ₀(t)の傾きは、窓比較器の窓幅Δｉと時間Δｔ₀ とから計算することができる。窓入口点ｐ４と、窓出口点ｐ６とが得られる電流プロフィールｉ_M(t)についても同様であり、点ｐ４と点ｐ６とが生じた時点の間の経過時間は、タイマーによりΔｔ_M と決定される。

定義することによって、一次方程式については、傾きと位相シフトとで十分である。したがって、電流プロフィールｉ₀(t)とｉ_M(t)の、振幅および位相シフトの値の各組は、得られたカウント値の組から容易に計算することができる。従って、異なる位相角φ(x)のそれぞれについて、これらの値の組を周期的に検出することにより、対応する軌跡曲線Ａ１が点ごとに生成される。

正弦波電流のピーク値

は、電流のゼロ交差において、

により計算することができる。

正弦波励起電位ｕ_e(t)の周波数は、よって、評価されたコイル電流ｉ₀(t)またはｉ_M(t)の周波数ｆ_M は、一定（線形システム）であるので、コイル電流ｉ₀(t)またはｉ_M(t)のピーク値

または

と、接線の傾きの量Δｉ／Δｔ₀ 、または、Δｉ／Δｔ_M との直接的な相関がゼロ交差において生じる。

の場合、上記の式において、微分商ｄｉ／ｄｔを、差分商

に置き換えてよく、従って、ピーク値

および

の式はそれぞれ以下のようになる。

または、

図３において、ピーク値

は、１００％へと標準化されており、従って、図２の軌跡曲線図における位置ベクトルＡ１(φ_OS)の振幅と対応する。

励起電位ｕ_e(t)とコイル電流ｉ₀(t)との間の位相シフトφ_OS については、°にて、次式が与えられる。
φ_OS ＝３６０・ｆ_M ・Δｔ

この場合も、周波数が一定であるので、当然に、位相シフトと測定された時間との間の直接的な相関が生じる。

簡単な材料識別処理については、電流のゼロ交差ｐ２およびｐ５の代わりに、窓の入口点ｐ１、ｐ４、または、窓の出口点ｐ３、ｐ６を位相測定において用い、近似計算を省略し

、デジタル・カウンタのカウント値を（振幅および位相値に変換することなく）直接的に評価することにより、評価処理をさらに簡単なものにすることができる。この評価処理においては、些細な測定エラーが実際には起こる。しかし、当該エラーは一定であるので、評価の中に組み込んでよい。

しかし、困難な材料識別処理においては、軌跡曲線全体を評価する信号処理方法を用いてもよい。

基準(reference、参照)物体についての軌跡曲線との比較により、多様な形状、大きさ、および、厚さの物体について、非常に信頼性高く金属の種類（導電性、比透磁率）を決定することができる。

図４は、本発明による、交番電磁場に影響を与える物体を識別する装置１０のブロック図を示している。当該装置においては、本発明による識別方法がいくらか簡易化されて実施される。本発明による装置１０においては、励起コイルＳが切替可能キャパシターＣに直列接続されて直列発振回路を形成する。ＤＡＣ１２によって制御されるＦＥＴ１１により、直列発振回路には、一定振幅かつ一定周波数、好ましくは、固有周波数の正弦波交流電圧ｕ_e(t)がかけられ、それにより正弦波電流ｉ₀(t)がコイルＳに、従って、直列発振回路に流れる。該電流は、励起電位ｕ_e(t)に対してオフセット位相角φ_OS だけ位相がシフトしている。キャパシターＣは、オフセット位相角φ_OS を実験に基づいて調整することを可能とするべく切替可能に構成される。励起電位ｕ_e(t)の周波数ｆ_M は、１３ｋＨｚと決定した。ＤＡＣ１２およびＦＥＴ１１の代替として、増幅器を備える正弦波発生器を用いてもよい。

導電性および／または強磁性の物体（図示せず）がコイルＳを通り越すと、コイルＳのインダクタンスが、従って、励起電位ｕ_e(t)とコイルの電流プロフィールとの間の位相角が変化する。例えば、定義された測定位相角φ_M において、電流プロフィールｉ_M(t)が生じる。直列発信回路を流れる電流は、分流抵抗器１３により電圧信号ｕ_M(t)に変換され、該電圧信号ｕ_M(t)は、基準電圧が−Ｖref と＋Ｖref とにそれぞれ設定された二つの比較器１５、１６の入力へと供給される。比較器１５、１６は、窓比較器を形成するが、該窓比較器の窓幅は、基準電圧＋Ｖref と−Ｖref との差により定義され、図３の信号図の窓幅Δｉに対応する。更なる比較器１４には、励起電位ｕ_e(t)が供給される。比較器１４の基準電圧は０Ｖに設定されているので、比較器１４は励起電位ｕ_e(t)のゼロ交差ＮＬをカバーする。比較器１４からの、励起電位ｕ_e(t)に基づく出力信号Ｋ１が、図５の信号図に示される。さらに、二つの比較器１５、１６の基準電圧−Ｖref と＋Ｖref 、比較器１５からの出力信号Ｋ２、および比較器１６からの出力信号Ｋ３が、図５の信号図に示される。

比較器１４は、励起電位Ｕ_e(t)のゼロ交差ＮＬにおいて、第一のカウンタ１８と第二のカウンタ１９とを始動させる。カウンタ１８と１９とは、両方とも、立下りでトリガされる。比較器１５は、入力信号ｕ_M(t)が該比較器の基準電圧値−Ｖref を超えた瞬間ｐ４に、つまり比較器の窓に入った瞬間に、第二のカウンタ１９を停止させる。比較器１６は、入力信号が該比較器の基準電圧値＋Ｖref を超えた瞬間ｐ６に、つまり比較器の窓を出た瞬間に、第一のカウンタ１８を停止させる。二つのカウンタ１８、１９は一定のカウント周波数を有するデジタルカウンタとして構成されているので、二つのカウント値の差から時間差Δｔ_M を導出することができる。これに関しては、図３を参照されたい。この代表的な実施形態においては、二つのカウンタ１８、１９は、マイクロコントローラ１７に統合されている。上記式に基づいて述べたように、ゼロ交差ｐ５（図３参照）における信号ｕ_M(t)の傾きは、時間差Δｔ_M と、信号ｕ_M(t)の既知の周波数とから決定でき、信号ｕ_M(t)の振幅は、傾きから計算することができる。本発明による装置の本実施形態の変形例においては、比較器１５がカウンタ（１８もしくは１９）を始動させ、比較器１６が該カウンタを停止させてもよい。カウント値からは、コイル電流ｉ_M(t)が比較器の窓Δｉを通過するのに必要とする時間長Δｔ_M を直接的に導出することができる。その時間長Δｔ_M からは、ピーク値を計算することができる。

しかし、この代表的な実施形態においては、信号処理は、多少、簡易化されている。たとえば、信号ｕ_e(t)と信号ｕ_M(t)との間の位相は、時点ＮＬと時点ｐ４との間の時間差から、僅かであるが、一定のエラーを含んで導出される。さらに、信号ｕ_M(t)の振幅は、上記式から直接的に計算されるのではなく、第二のカウンタ１９がカウントした測定量が、指標（インデックス）値Ref_1からRef_5について、それらに対応する基準閾値Lim_1からLim_5を保有した、ＥＥＰＲＯＭ２１に記憶される基準値テーブルの指標として用いられ、第一のカウンタ１８がカウントした測定量が、その指標に対応した基準閾値Lim_1からLim_5のいずれかとデジタル比較器２３において比較されるのである。分類・物体長判定ユニット２４は、各場合において用いられる基準閾値Lim_1からLim_5のいずれかを超えたか下回ったかにより、物体の材料を推定する。したがって、本発明による装置１０の本実施形態においては、第一および第二のカウンタ１８、１９のカウント値は、直接的に、つまりあらかじめ振幅や位相値に変換されることなく、評価される。基準値テーブルを設けることにより、材料（ＶＡ−ＮＥ、Ａｌ−Ｃｕ等）に関してそれぞれ異なる決定を下すには、それぞれ異なる最適点が測定のために存在するという事実が考慮に入れられる。各物体はそれぞれコイルに接近するので、各サンプル周期において、第二のカウンタ１９には新たなカウント値が、従って、基準限界値が存在する。

さらに、マイクロコントローラ１７は、タイマー２０とＲＡＭ２２とを含む。タイマー２０が測定した測定量により、対応するテーブル値のＲＡＭ２２からＤＡＣへの読み込みが制御され、これらのテーブル値により、正弦波電圧ｕ_e(t)が生成される。

図６には、本発明による分類プラント１が概略的に示されている。該分類プラント１は、コンベヤベルト３を有する。導電性および／または強磁性に基づいて識別・分類されるべき物体Ｏを含む物質の流れ２が、該コンベヤベルト３上を一定の速度ｖで動く。この目的のために、本発明による、物体Ｏを識別する装置１０がコンベヤベルト３よりも下方に配置される。装置１０の発振回路のコイルＳは、コイル軸ＳＡが物質の流れ２の運搬方向（ｘ方向）に対して直角となるように配置される。さらに、コイルＳは、コイル軸ＳＡの方向に測定した距離ｚだけ物質の流れ２から離される。コイルＳの直径ｄは、識別されるべき物体Ｏの平均直径Ｄよりも小さくなるように寸法設定される。物体Ｏがｘ方向に動いてコイルの中心点（コイル軸ＳＡ）を横切ると、物体ＯのコイルＳに対するｘ方向相対位置に基づいた、コイル電流の量および位相における変化の材料特性数列が始まり、該装置１０において評価される。評価の結果に従って、該装置１０は、物体排出ユニット４を作動させる。物体排出ユニット４は、例えば、物質の流れ２から物体Ｏを排出するための空気ノズル等である。説明した代表的な実施形態では、分類処理された物質の流れ２は容器５に到達する。もちろん、実際には、複数のコイルがコンベヤベルト３の幅方向に配置され、コイル間の間隔は、各コイルのカバー範囲間を通過する物体Ｏが感知され得ないことがないように選択される。コンベヤベルト３の代わりに、たとえばスライドを設けてもよい。

Claims (33)

1. 物質の流れ（２）が所定の速度（ｖ）で一方向（ｘ）に運ばれる運搬路（３）上に配置されたコイル（Ｓ）を用い、交番電磁場に影響を与える物体（Ｏ）を識別する方法であり、該物質の流れは、導電性および／または強磁性の物体（Ｏ）を有し得るものであって、当該方法は、
   一定周波数（ｆ_M）の正弦波電圧（ｕ_e(t)）にて該コイル（Ｓ）を励起することによって、交番電磁場を生成することを有し、
   物体（Ｏ）により引き起こされた、該コイル（Ｓ）におけるインピーダンス変化を検出することを有し、その検出は、正弦波コイル電流（ｉ_M(t)）のピーク値
   

   

   と、該コイル電流（ｉ_M(t)）と励起電位（ｕ_e(t)）との間の位相シフト（φ_M）とから、
   少なくとも一組の値を決定することによって行うものであり、
   正弦波コイル電流（ｉ_M(t)）のピーク値
   

   

   と位相シフト（φ_M）とからの、前記の少なくとも一組の値を、基準値と比較することによって、物体（Ｏ）の材料（Mat１、Mat２）を決定することを有し、
   その特徴が、
   一定の窓幅（Δｉ）を有する窓比較器を用いて、少なくとも一つの予め定められた測定位相角（φ_M）における、正弦波コイル電流（ｉ_M(t)）のピーク値
   

   

   が計算されることであって、ここにおいて、
   コイル電流（ｉ_M(t)）の、窓の入口点（ｐ４）と窓の出口点（ｐ６）との間の時間（Δｔ_M）が測定され、かつ、
   窓比較器の窓幅（Δｉ）と、測定された時間（Δｔ_M）とから、電流プロフィール（ｉ_M(t)）の傾きが計算され、かつ、
   正弦波電流プロフィールｉ_M(t)の、傾きとその既知の周波数（ｆ_M）とから、前記ピーク値
   

   

   が計算されるものである、
   前記方法。
2. 窓比較器の窓への入口点の値、および、該窓からの出口点の値が、コイル電流の信号中心線に関して対称に配置されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 物体（Ｏ）の材料を決定するために、離散的な測定位相（φ_M）において決定された少なくとも一つのピーク値
   

   

   を、基準サンプルの対応するピーク値と比較することを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 物体（Ｏ）がコイル（Ｓ）に最も接近したときに発生する位相差の最大角（φ_max）に近い、少なくとも一つの測定位相角（φ_M）が選択されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 物質の流れ（２）の既知の速度（ｖ）に関して、測定位相角（φ_M）に達した瞬間を、物質の流れ（２）から物体（Ｏ）を排出する基準の瞬間として用いることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. 位相差の最大角（φ_max）が決定されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. 物質の流れ（２）の既知の速度（ｖ）に関して、位相差の最大角（φ_max）に達した瞬間を、物質の流れ（２）から物体（Ｏ）を排出するための、基準の瞬間として用いることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
8. 電流プロフィール（ｉ₀(t)、ｉ_M(t)）のピーク値と位相シフトとから、値の組を周期的に検出することによって、
   それぞれの軌跡曲線（Ａ１、Ａ２）が、互いに異なる位相角φ(x)について、点ごとに受け取られ、かつ、基準の軌跡曲線との比較を通じた評価のために用いられることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
9. 最初に、励起電位分布ｕ_e(t)と、物体（Ｏ）による影響を受けていない状態にあるコイルＳの電流プロフィールｉ₀(t)とから、オフセット位相（φ_OS）が決定され、
   そして続いて、電流プロフィール（ｉ_M(t)）の測定位相角（φ_M）が、オフセット位相（φ_OS）に関係付けられることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
10. 励起周波数または測定周波数ｆ_M が、１ｋＨｚから１ＭＨｚまでの値に調整されることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法。
11. コイル直径（ｄ）が、識別されるべき物体（Ｏ）の平均直径（Ｄ）よりも小さく選択されることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 上記物体（Ｏ）が金属製の物体であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
13. 上記窓比較器の窓幅（Δｉ）が調整可能であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
14. 上記信号中心線が、コイル電流のゼロ線であることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
15. 測定位相角（φ _M ）と位相差の最大角（φ _max ）との間の間隔が、物質の流れ（２）の中に存在する最小の物体（Ｏ）についても、少なくとも、それが得られるような大きさであるように選択されることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
16. 励起周波数または測定周波数ｆ _M が、それぞれに、５から１００ｋＨｚまでの値に調整されることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
17. 交番電磁場に影響を与える物体（Ｏ）を識別する装置であって、当該装置は、
    一定周波数（ｆ_M ）の正弦波励起電位（ｕ_e(t)）を生成するための電圧源（１１、１２）を有し、
    励起電位（ｕ_e(t)）を供給されて交番電磁場を生成するためのコイル（Ｓ）を有し、
    物体（Ｏ）により引き起こされた、該コイル（Ｓ）におけるインピーダンス変化を検出するための計算手段（１７）を有し、その検出は、該コイル（Ｓ）を流れる正弦波コイル電流（ｉ_M(t)）のピーク値
    

    

    と、該コイル電流（ｉ_M(t)）と励起電位（ｕ_e(t)）との間の位相シフト（φ_M）とから、
    少なくとも一組の値を決定することによって行うものであり、かつ、
    物体（Ｏ）の材料（Mat１、Mat２）を決定するための手段（２４）を有し、その決定は、正弦波コイル電流（ｉ_M(t)）のピーク値
    

    

    と位相シフト（φ_M）とからの、前記の少なくとも一組の値を、基準値と比較することによって行うものであって、
    その特徴が、
    窓比較器（１５、１６）にあり、該窓比較器は、一定の窓幅（Δｉ）を有し、コイル電流（ｉ_M(t)）と、それに各々比例した電圧信号ｕ_M(t)とを供給されるものであり、かつ、その特徴が、時間記録手段（１８、１９）にあり、該時間記録手段は、コイル電流（ｉ_M(t)）が比較器の窓（Δｉ）を通過するのに必要とする時間の長さ（Δｔ_M）を測定するためのものであり、
    前記計算手段（１７）が、少なくとも一つの所定の測定位相角（φ_M）における、時間の長さ（Δｔ_M）と、窓比較器（１５、１６）の窓幅（Δｉ）とから、電流プロフィール（ｉ_M(t)）の傾きを計算するように構成されると共に、正弦波コイル電流ｉ_M(t)の、傾きとその既知の周波数（ｆ_M）とから、前記ピーク値
    

    

    を計算するように構成されている、
    前記装置。
18. コイル電流（ｉ_M(t)）を、比例する電圧信号Ｕ_M(t)へと変換するための、電流／電圧変換器によって特徴付けられる、請求項１７に記載の装置。
19. コイル（Ｓ）が、キャパシタンス（Ｃ）に接続されて、発振回路となっていることを特徴とする、請求項１７または１８に記載の装置。
20. 窓比較器（１５、１６）の窓への入口点（−Ｖref）の値、および、該窓からの出口点（＋Ｖref）の値が、コイル電流の信号中心線に関して対称に配置されることを特徴とする、請求項１７から１９のいずれか１項に記載の装置。
21. 励起電位（ｕ_e(t)）のゼロ交差（ＮＬ）を検出する比較器（１４）によって特徴付けられる、請求項１７から２０のいずれか１項に記載の装置。
22. 時間記録手段が、一定のカウント周波数を持ったデジタルカウンタ（１８、１９）として構成されていることを特徴とする、請求項１７から２１のいずれか１項に記載の装置。
23. ゼロ交差比較器（１４）の出力信号（Ｋ１）が、カウンタ（１８、１９）を始動させ、かつ、窓比較器（１５、１６）が、コイル電流（ｉ_M(t)）が比較器の窓に入ったときに１つのカウンタ（１９）を停止させ、かつ、コイル電流（ｉ_M(t)）が比較器の窓を出たときに更なるカウンタ（１８）を停止させることを特徴とする、請求項２２に記載の装置。
24. 二つのカウントの差から、コイル電流（ｉ_M(t)）が比較器の窓（Δｉ）を通過するのに必要とする時間の長さ（Δｔ_M）が導出されることを特徴とする、請求項２３に記載の装置。
25. 窓比較器（１５、１６）が、コイル電流（ｉ_M(t)）が比較器の窓に入ったときにカウンタを始動させ、かつ、コイル電流（ｉ_M(t)）が比較器の窓を出たときに該カウンタを停止させることを特徴とする、請求項２２に記載の装置。
26. 計算手段（１７）が、物体（Ｏ）の材料を決定するために、離散的な測定位相（φ_M）において決定された少なくとも一つのピーク値
    

    

    を、基準サンプルの対応するピーク値と比較するように構成されていることを特徴とする、請求項１７から２５のいずれか１項に記載の装置。
27. 計算手段（１７）が、第二のカウンタ（１９）でカウントされた測定量を、基準値テーブルの指標として用いるように、かつ、各指標値（Ref_1からRef_5）について、それに関係付けられた基準閾値（Lim_1からLim_5）を読み出すように、かつ、その基準閾値を、第一のカウンタ（１８）でカウントされた測定量と比較するように、かつ、各場合において用いた該基準閾値（Lim_1からLim_5）を超えたか下回ったかにより、物体（Ｏ）の材料を推定するように、構成されていることを特徴とする、請求項２３に記載の装置。
28. 励起電位（ｕ_e(t)）が、１ｋＨｚから１ＭＨｚまでの範囲の値に調整されることを特徴とする、請求項１７から２７のいずれか１項に記載の装置。
29. 上記物体（Ｏ）が金属製の物体であることを特徴とする、請求項１７記載の装置。
30. 上記窓比較器の窓幅（Δｉ）が調整可能であることを特徴とする、請求項１７に記載の装置。
31. 上記信号中心線が、コイル電流のゼロ線であることを特徴とする、請求項２０記載の装置。
32. 上記励起電位（ｕ _e (t)）が、５から１００ｋＨｚまでの範囲の値に調整されることを特徴とする、請求項２８記載の装置。
33. 分類プラントであって、
    運搬手段（３）を有し、該運搬手段上を物質の流れ（２）が一定速度ｖで移動することが可能であり、該物質の流れには、導電性および／または強磁性の特性に基づいて識別されると仮定され、かつ、物体排出ユニット（４）によって分類されると仮定される物体Ｏが含まれており、
    少なくとも、１７から３２のいずれか１項に記載の、物体（Ｏ）を識別するための装置（１０）によって特徴付けられ、
    コイル（Ｓ）が運搬手段（３）の近傍に配置されて、物質の流れ（２）の運搬方向（ｘ方向）に移動する物体（１０）が、材料の特性インピーダンスの変化をコイル（Ｓ）に生じさせるようになっており、該材料の特性インピーダンスの変化が装置（１０）によって検出されると共に、該装置（１０）が物体排出ユニット（４）を作動させる、
    前記分類プラント。

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