NO751865L - - Google Patents

Description

Fremgangsmåte og anordning for signaldiskriminering i et elektronisk deteksjonssystem.

Oppfinnelsen angår generelt elektroniske deteksjonssystemer hvor en signalubalanse eller signalvariasjon som indikerer nærvær av en uønsket materialmasse eller et objekt, gene-rerer et deteksjonssignal i en føler for aktivering av en

varslingsindikator.

Mer spesielt angår oppfinnelsen optimalisering av deteksjonssignaldiskriminering ved eliminasjon av fysiske inn-virkninger og miljøinnvirkninger som også.forårsaker deteksjonssignaler i systemet.

F.eks. ved deteksjon av fremmed metall i ikke-metal-liske medier blir materialet som skal prøves,vanligvis ført gjennom et område med konsentrert elektromagnetisk felt som gjennomgår kontinuerlig sinusvariasjon. Feltvariasjonen induse-rer virvelstrømmer i metallet, hvilket resulterer i en målbar endring av feltet. Da magnetfeltet avtar med kvadratet av av-standen fra kilden, kan merkbare virkninger på feltet'av metall som passerer gjennom dette, inntreffe i hovedsaken når dette metall befinner seg i nærheten av feltkilden. Det varierende magnetfelt vil også bli påvirket av metallmassen, og av lednings-evne, permeabilitet og andre fysiske parametre, men i enkelt forhold i stedet for eksponent Leit. Dersom et ikke-metallisk materiale som skal undersøkes med henblikk på metallforurensninger i form av biter eller stykker, føres gjennom det varierende elektromagnetiske felt med jevn hastighet, vil derfor varigheten av metallets innvirkning på feltet stå i forhold til felt-geometrien eller kildedimensjonene og metallhastigheten, mens effektamplituden vil stå mer i forhold til fysiske parametre for metallet. Dersom det materiale som skal prøves med henblikk på fremmede metallbiter, således føres på en ikke-metallisk beltetransportør med konstant hastighet, kan metalldeteksjonen optimaliseres ved å velge en transporthastighet som tilveiebringer en varighet eller periode' av det signal som angir detektert metall som er forskjellig fra perioden for mekaniske vibra-sjonsfrekvenser som er knyttet til deteksjonssystemet, bevegel-ser av andre metallmasser i nærheten, elektriske eller elektromagnetiske forstyrrelser og andre faktorer som forårsaker uønskede tillegg til det detekterte signal. Optimal separering av den ønskede puls fra alt annet, deriblant tilfeldig krets-støy, kan således oppnås ved å velge ut bare de signalpulser som har en periode, eller varighet som står i forhold til transportbåndets hastighet og detektorhodets geometri.

Denne karakteristiske periodisitet eller signal-varighet benyttes i det signaltilpassende system som er gjenstand for den foreliggende oppfinnelse. Man må imidlertid være klar over at den pulsliknende natur av det detekterte signal gjør vanlige anordninger basert på kontinuerlige sinusfunksjo-ner, såsom et smalbåndpassfilter hvor frekvensen = l/perioden, i høy grad virkningsløse da de samme frekvenskomponenter fremkommer i mange forskjellige pulssignaler, og i mange detektorer kan bølgeformen for pulsen som angir detektert metall, forandres med metallets geometri.

Ved en utførelse av den foreliggende oppfinnelse benyttes en rekke lineære integratorer med lavpassfiltre for negativ tilbakekopling for samtidig (a) å øke signalpulsvarig-- heten som funksjon av amplitude og pulslengde,og (b) å redusere amplituden i forhold til varigheten for de pulser som har større varighet enn hva som etableres av metallgangtiden. Denne signal-kondisjonering eller signaltilpasning slipper frem det minimale metalldeteksjonssignal med minst modifikasjon og demper i forhold til avvikelser fra dette signal. Signaler tilveiebrakt av større metallforurensninger vil likeledes bli dempet noe på grunn av pulsens strekkende virkning og tilbakekopling av den modifiserte integrator, men kan ikke være mindre enn det minimale signal på grunn av den opprinnelige likhet i pulslengder. Den negative lavpass-tilbakekopling fjerner også langsomt varierende felter, avdrift osv. og forsyner integratoren med en langtids nullreferanse. Den lineære integrator virker også til

å dempe sinusvariasjoner, f.eks. frembragt ved vibrasjon av detektoren, i forhold, til dJLsses frekvens ved å velge ut en transportørhastighet hvor vibrasjonene har en periode som ligger godt under pulsperioden. Disses dempning i forhold til signalet blir således gjort størst mulig. Ved således å gi av-kall på noe amplitude av større detekterte signalpulser, oppnås optimal separasjon av ønsket signal og uønsket bakgrunns-støy ved benyttelse av det faktum at alle gyldige, detekterte pulser vil ha tilnærmet samme periode, og denne periode vil være forskjellig fra de uønskede signaler uten hensyn til amplitude. For å forbedre separasjonen kan integrasjonspro-sessen gjentas, i hvilket tilfelle de samlede egenskaper for signaltilpasningsanordningen vil ha en sinusformet respons av liknende type som det idealiserte tilfelle som er vist på fig.

4 på tegningene.

Formålene og fordelene med oppfinnelsen vil fremgå klarere av den følgende, beskrivelse i forbindelse med de til-hørende tegninger, der fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen ut-føres i en innretning som omfatter (a) anordninger for tilpasning av et detektert pulssignal for å tilveiebringe et utgangssignal som indikerer overføringsperioden for en materialmasse som krysser en deteksjonsåpningslengde, og (b) anordninger for sammenlikning av det tilpassede signal med en terskelgrense som indikerer en forutbestemt massehastighet og åpningslengde.

På tegningene viser fig. 1 et forenklet blokkdiagram av et deteksjonssystem i hvilket oppfinnelsen utgjør en inte-grert del, fig. 2a og 2b illustrerer ved hjelp av krets- henholdsvis bølgeformdiagrammer fremgangsmåten og anordningen ifølge oppfinnelsen, fig. 3a og 3b illustrerer skjematisk en annen ut-førelse for oppnåelse av resultatene ifølge oppfinnelsen, og fig. 4 illustrerer grafisk en idealisert amplitude som funksjon av frekvensen for et sinusformet inngangssignal som meget nært approksimeres ved hjelp av anordningen på fig. 3 ved utførelse av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen.

Fig. 1 illustrerer generelt oppfinnelsens forhold til et kovensjonelt deteksjonssystem. På tegningen tilveiebringer en elektronisk detektor 10 et demodulert deteksjonssignal 16 til en signal-kondisjoneringsanordning eller signaltilpasser 12 sorn utgjør et vesentlig element av oppfinnelsen. I overensstemmelse med. den foreliggende oppfinnelse forbedrer tilpasseren 12 signaldiskrimineringen på en slik måte at bare gyldige deteksjonssignaler 18 genereres, mens alle andre som skyldes støy, miljø-innvirkninger, osv., avvises. De gyldige deteksjonssignaler 18 blir deretter tilført til en konvensjonell indikator 14 for lyd-messig eller visuell presentasjon.

For den foreliggende beskrivelse antas at det materiale som er gjenstand for deteksjon, beveges med konstant hastighet i forhold til detektoren. Dette kan oppnås på hvilken som helst måte>deriblant anbringelse av materialet på en konstant-hastighets-transportør som beveger seg gjennom detektoren, eller omvendt, ved å bevege detektoren med konstant hastighet i forhold til et stasjonært undersøkelsesmateriale. I ethvert tilfelle eksisterer en konstant relativ hastighet mellom detektoren og undersøkelsesmaterialet. Selvom andre deteksjonssystemer kan benyttes til å generere signaler av typen e^som er vist på fig. 2b, vil denne beskrivelse bli gjennomført i forbindelse med en detektor med elektromagnetisk feltvariasjon som er tilpasset til å føle nærvær av metallmateriale med en minimal masse som passerer i forhold til detektorfeltet på en transportør med konstant hastighet. En signaltilpasser 12 som oppfyller behovene ifølge oppfinnelsen, er vist skjematisk på fig. 2a, mens de bølgeformer som er knyttet til dennes drift, er vist på fig. 2b. Idet det. henvises til tegningen, tilveiebringer detektoren 10 på lednin-gen 16 et demodulert pulsutgangssignal som indikerer opptreden av en avfølt tilstand. Signalet tilføres til en lineær integrator A-I via en kondensator Cl som avkopler eventuell tilstedeværende vekselstrøm for å hindre overbelastning av forsterkeren dersom en permanent bro-ubalanse skulle eksistere i detektoren 10. De forsterkere som er betegnet med A-I på tegningene, er alle av typen "741 op-amps" som selges av Fairchild Corporation,eller andre ekvivalente anordninger.

Et demodulert og avkoplet pulssignal vil på grunn av passasjen med konstant hastighet av en detekterbar masse gjennom detektoråpningen oppvise en i hovedsaken konstant pulsperiode som vist på fig. 2b ved e^ idet den negativtgående del av signalet indikerer at metallmassen passerer gjennom detektorbalansen. Dette signal kondisjoneres eller tilpasses av integratoren A-I slik at det tilveiebringes et utgangssignal e_ som er proporsjo-nalt med tidsintegralet av e^i overensstemmelse med likningen & 2 - 1/R1C2 fe^ dt. Integratoren A-I virker slik at den glatter ut hurtigvarierende signaler, mens et tilbakekoplings-lavpassfilter omfattende komponentene R2, R3 og C3, hindrer at langsomt-varierende signaler integreres og etablerer også en langtids-likespenningsreferanse. pet integrerte utgangssignal e2blir også invertert av integratoren A-I og føres gjennom en diode Dl og en motstand R4 slik at bare> den vesentlige positive del av det nå inverterte signal fremkommer over motstanden R4.

Denne positive del klippes og begrenses til et konstant nivå ved hjelp av dioder D2 og D3, slik at det tilveiebringes en i hovedsaken firkantet puls e^som har konstant amplitude og er uavhengig av. den opprinnelige bølgeform eller amplituden av e^og oppviser en varighet som svarer til den positive del av pulsen, og hva som er mer betydningsfullt, står i forhold til detektorens åpningslengde og overgangsvarigheten for den detekterte masse gjennom åpningen. Den således dannede firkantpuls e^differensieres ved hjelp av en kondensator C4 og en motstand R6 for å tilveiebringe to pulser med kort varighet som er vist på fig. 2b ved e^og er betegnet plfhenholdsvis p2. Disse pulser markerer henholdsvis begynnelsen og slutten av perioden for pulsen e^. Signalet e^strømforsterkes ved hjelp av en inverter A-2 for å tilveiebringe en invertert puls p2som er vist ved e5og har riktig polaritet for å aktivere en port G-3. Pulsen p^

i signalet e^har også riktig polaritet og benyttes til å aktivere en port G-I, som opererer en énfofløps-forsinkelseskrets DY-1 som tilveiebringer en negativtgående puls eg hvis varighet er noe mindre enn perioden mellom p^og p2, som vist på fig. 2b. Den bakre kant eller positivtgående del av pulsen e c aktiverer en andre port G-2 som opererer en andre enforløps-forsinkelseskrets DY-2 som på sin utgang tilveiebringer en negativt-<gåe>nd<e>puls e^. Signalet e^er en puls av kort varighet med en bakre kant som følger noe etter opptreden av pulsen p2. Pulsen in-verteres ved hjelp av en en flip-flop 2 0 som tilveiebringer en positivt-gående puls eg for å åpne porten G-3. Når den positive puls p2fra inverteren A-2 faller innenfor vinduet for portens G-3 åpningsintervall, slippes pulsen gjennom som et akseptabelt

signal eg. Lengre eller kortere pulsperipder som etableres

av signalet e^ f resulterer i; en p^-puls som unngår portvinduet-ved G-3 som etableres av kretsene DY-1 og DY-2, og som derfor ignoreres. Utgangssignalet fra porten G-3 er et signal eg som benyttes til å aktivere styrekretser for indikatoren 14.

Fig. 3a illustrerer en alternativ signaltilpasnings-konfigurasjon 12A hvor det demodulerte og avkoplede pulssignal e'^påvirkes av en rekke lineære integratorer 22, 24 og 26 som har liknende funksjon og virkemåte som foran beskrevet for integratoren A-I på fig. 2a. Utgangssignalene e'2, e<1>^og e'^fra integratorene er illustrert på fig. 3b, mens den idealiserte sinusrespons er vist på fig. 4.

Integrasjonen utføres på signalet e'^av integratoren 22 via komponentene C2 og RI på konvensjonell måte mens et lavpassfilter R2, R3, C3 for negativ tilbakekopling tilveie-—t/R3C3)

bringer en tilbakekoplingsspenning ef = -eQR2/(l-ie ' A+

R2 + R3, der A er. den maksimale amplitude. En motstand R7 reduserer forskyvning og forbedrer forsterkerstabilitet. Samme kon-figurasjon gjentas i de etterfølgende integratorer 24 og 26, idet en kondensator C4 arbeider som en andre likestrømsavkopler for å hindre at det stabile nivå overskrider forsterkerens kapa-sitet. Integrator-tilbakekoplingskretsene øker samtidig signal-pulsyarigheten som funksjon av amplitude og pulslengde, samtidig som amplituden reduseres i forhold til varigheten av de pulser som har større varighet enn hva som etableres av overførings-tiden for materialet gjennom detektoren. Utgangssignalene fra rekken av integratorer kondisjoneres eller tilpasses således til detektorens åpningslengde og massehastighet. En summerende forsterker A-3 sammenlikner pulstoppamplituden med en etablert refe-ransespenning fra R5, R6, og dersom den tilpassede eller kondisjonerte signaltoppamplitude overskrider referansen, tilveiebringes et signal på en leder 28 for aktivering av indikatoren 14. Kondensatoren C5 hindrer at transiente sammenliknings-spenningsvariasjoner forårsaker falske utgangssignaler. Som vist for den idealiserte sinusrespons på fig. 4, vil bare de detekterte signaler som oppviser en periode som ligger innenfor de med strek-tegnéde linjer angitte områder av kurven, resultere i et gyldig utgangssignal når amplituden overskrider den terskel som

er valgt på forhånd for massehasti.gheten og åpnings lengden.

Da perioden er lik den resiproke verdi av frekvensen, vil bare de pulser som detekteres innenfor det spesifiserte område, bli akseptert, mens alle andre som har perioder utenfor dette område, blir avvist.

Claims (15)

1. Fremgangsmåte for forbedring av signaldiskriminering i et elektronisk deteksjonssystem som tilveiebringer signaler som indikerer en avfølt variabel tilstand forårsaket av en materialmasse som beveger seg i detektorens virkefelt, karakterisert ved at det etableres en. åpningslengde som står i forhold til detektorens geometri, at materialet beveges gjennom detektoråpningen med en valgt konstant hastighet for å tilveiebringe et utgangspulssignal som angir nærvær av materialet i' åpningen, at utgangssignalet fra detektoren kondisjoneres på en slik måte at pulsperioden angir overgangsvarigheten for materialet mens dette krysser åpningen, og at den kondisjonerte eller tilpassede puls sammenliknes med en terskelverdi som indikerer en forutbestemt periode som er etablert ved hjelp av en spesiell materialhastighet og åpningslengde.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved åt detektorutgangssignalet kondisjoneres ved hjelp av en integratorkrets som har en lavpassfilterkrets for negativ tilbakekopling for samtidig å øke detektorsignalpuls.ens varighet som funksjon av amplitude og pulslengde og å redusere amplituden i forhold til varigheten for de pulser som har større varighet enn hva som er bestemt ved hjelp av terskelverdien.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at signaltilpasningen videre omfatter de trinn at det for-sterkede utgangssignal fra integratoren begrenses uten hensyn til detektorsignalamplituden for å tilveiebringe en puls med stort sett firkantbølgeform, at firkantbølgepulsen differensieres for å tilveiebringe pulspar som indikerer henholdsvis begynnelsen og slutten av firkantbølgepulsens periode, og at den periode som er etablert for firkantbølgepulsen sammenliknes med en forutbestemt terskelperio.de som indikerer en utvalgt massehastighet og åpningslengde, for å tilveiebringe et utgangssignal når og bare når de to perioder er i. hovedsaken sammenfallende.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 3, karakterisert ved at pulsparene benyttes til å etablere en portåpningspuls som forsinkes i tid for å svare til slutten av terskelperio-dén slik at begynnelsen av åpningspulsen opptrer før slutten av den utvalgte overføringsperiode for en forutbestemt massehastighet og åpningslengde, mens slutten av åpningspulsen opptrer noe etter overføringsperioden, at de nevnte pulspar også koples via en parallellgrenkrets til en utgangsportkrets idet portåpningspulsen og pulsparene senere tilføres og sammenliknes i utgangs-portkretsen, slik at åpning av portkretsen ved hjelp av portåpningspulsen vil tilveiebringe et utgangssignal når og bare når pulsen i det par som indikerer slutten av overføringsperio-den, i tid faller sammen med utgangsportens åpningsintervall.

5. Fremgangsmåte, ifølge krav 1, karakterisert ved at detektorutgangssignalet kondisjoneres i en rekke lineære integratorkretser med lavpassfilterkretser for negativ tilbakekopling som samtidig forsterker detektorsignalpulsens varighet som funksjon av amplitude og pulslengde, og reduserer amplituden i forhold til varigheten for de pulser som har større varighet enn hva som er bestemt for terskelverdien.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 5, karakterisert ved at amplituden av den kondisjonerte eller tilpassede signal-puls sammenliknes med en terskelamplitude slik at et utgangssignal tilveiebringes når det tilpassede signals amplitude overskrider terskelen.

7. Anordning for utførelse av fremgangsmåten ifølge et av de foregående krav, omfattende en elektronisk detektor.; som er tilpasset til å tilveiebringe utgangsdeteksjonssignaler som indikerer en variabel tilstand som er forårsaket av en materialmasse som beveger seg' med konstant relativ hastighet gjennom en deteksjonsåpning i detektorens virkefelt, og tilveiebringer aktiveringssignaler til en indikerende anordning som reaksjon på den detekterte tilstand, og anordninger for sammenkopling av detektoren og den indikerende anordning for å forbedre detek-sjonssignaldiskrimineringen, karakterisert ved at anordningene omfatter en signaltilpassende anordning som er koplet til og reagerer på detektorutgangssignalet for 'å tilveiebringe et tilpasset signal som angir overføringsperioden for en spesiell massehastighet og åpningslengde, og en anordning for sammenlikning av det tilpassede utgangssignal med en forutbestemt terskelverdi som indikerer en spesiell pulsperiode, for å tilveiebringe et aktiveringssignal til den nevnte indikerende anordning.

8. Anordning ifølge krav 7, karakterisert ved at den signaltilpassende anordning omfatter en lineær integrator med et lavpassfilter for negativ tilbakekopling for samtidig å forsterke deteksjonssignalpulsens varighet som funksjon av amplitude og pulslengde, og å redusere amplituden i forhold til varighet for de pulser som har større varighet enn hva som er bestemt av masseoverføringsperioden gjennom deteksjonsåpnin-gen.

9. Anordning ifølge krav 8, karakterisert ved at den signaltilpassende anordning videre omfatter en anordning som er koplet til og reagerer på integratorens utgangssignal for å begrense signalamplituden og tilveiebringe an firkantbølgepuls med den periode som i hovedsaken svarer til overføringsperioden for massen gjennom detektoråpningen, og en anordning som er koplet til og reagerer på pulsen fra begrensningsanordningen for å differensiere pulsen slik at det tilveiebringes pulspar som bestemmer henholdsvis begynnelsen og slutten av den detekterte pulsperiode.

10. Anordning ifølge krav 8, karakterisert ved at sammenlikningsanordningen omfatter en kretsanordning som etablerer en tidsorientert terskel, slik at det utføres en sammenlikning mellom pulsperioden for det tilpassede signal og terskel-perioden uten hensyn til amplitude, og bare tilpassede pulser som i hovedsaken svarer til overføringsperioden for massen gjennom detektoråpningen, tilveiebringer et gyldig utgangssignal.

11. Anordning ifølge krav 9, karakterisert ved at sammenlikningsanordningen omfatter en kretsanordning som er koplet til differensieringsanordningen og reagerer på pulsparene for å etablere en portåpningspuls som er forsinket i tid for å svare til slutten av den pulsperiode som er etablert for masseoverføringsvarigheten, slik at begynnelsen av åpningspulsen opptrer før slutten av overføringsperioden, mens slutten av åpningspulsen opptrer noe etter overføringsperioden, og en utgangsportkrets som er koplet til og reagerer på pulsparene og portåpningspulsen fra kretsanordningen for å tilveiebringe et utgangssignal når og bare når den puls som indikerer slutten på den detekterte pulsperiode som fåes fra differensieringsanordningen, faller innenfor portåpningspulsperioden som er bestemt av den nevnte kretsanordning.

12. Anordning ifølge krav 11, karakterisert ved at kretsanordningen for etablering av en portåpningspuls omfatter en første port og en første forsinkelseskrets, idet porten er koplet til og reagerer på pulsen som indikerer den detekterte pulsperiode fra differensieringsanordningen, og forsinkelseskretsen er koplet til og reagerer på den nevnte port for å tilveiebringe et pulssignal på sin utgang med en periode som er noe mindre enn masseoverføringsperioden, og en andre port og en andre forsinkelseskrets, idet den andre port er koplet til og reagerer på den bakre kant av utgangspulsen fra den første forsinkelseskrets for å aktivere den andre forsinkelseskrets som reagerer for å tilveiebringe en portåpningspuls med kort varighet, og som har en fremre kant som opptrer noe før slutten av overføringsperioden, og en bakre kant som opptrer noe etter overføringsperiodens opptreden.. .

13. Anordning ifølge krav 7, karakterisert ved at den signaltilpassende anordning omfatter en rekke lineære integratorer for tilpasning av det detekterte signal slik at alle gyldige deteksjonssignaler som har i hovedsaken samme periode,, vil være forskjellige fra ugyldige signaler uten hensyn til signalamplitude.

14. Anordning ifølge krav 13, karakterisert ved at sammenlikningsanordningen omfatter en kretsanordning som etablerer en amplitudeterskel som står i forhold til en spesiell masseoverføringsperiode, og en sammenlikner for å sammenlikne amplituden for de tilpassede utgangssignaler som har en periode som i hovedsaken svarer til overføringsperioden, for å tilveiebringe et utgangssignal når den tilpassede signalamplitude overskrider referansen.

15. Anordning ifølge krav 7, k a. r a k. t e r i ,s e r t ved at den. signaltilpassende anordning omfatter en lineær integrator med et lavpassfilter for negativ tilbakekopling for samtidig å forsterke deteksjonssignalpulsens varighet som funksjon av amplitude og pulslengde, og å redusere amplituden i forhold til varigheten for de pulser som har større varighet enn hva som.er bestemt av massens overføringsperiode gjennom deteksjons-åpningen, en anordning som er koplet til og reagerer på integratorens utgang for å begrense signalamplituden og tilveiebringe en firkantpuls med en periode som i hovedsaken svarer til overføringsperioden for massen gjennom detektoråpningen, en anordning som er koplet til og reagerer på firkantpulsen fra begrensningsanordningen for å differensiere pulsen slik at det tilveiebringes positivt- og negativt-gående pulspar som bestemmer henholdsvis begynnelsen og slutten av den detekterte pulsperiode, en inverterende forsterker som er koplet til differensieringsanordningen for å invertere polariteten av pulsparene, en kretsanordning som også er koplet til differensieringsanordningen og reagerer på de positivt-og negativt-gående pulspar for å etablere en positivt orientert portåpningspuls som er forsinket i tid for å svare til slutten av den pulsperiode som er etablert for en spesiell masseoverføringsvarighet, slik at begynnelsen av portpulsen opptrer før slutten av overføringsperi-oden, mens slutten av portpulsen.opptrer noe etter overførings-perioden, og en utgangsportkrets som er koplet til og reagerer på både den inverterende forsterkers utgang og portpulsen fra kretsanordningen, for å tilveiebringe et utgangssignal når og bare når den puls som indikerer slutten av den detekterte pulsperiode som fås fra differensieringsanordningen, faller innenfor den portåpningspulsperiode som er etablert av den nevnte kretsanordning.