SE430545B - Anordning for detektering av metallforemal i ett materialflode - Google Patents

Description

15 20 25 30 8202094-2 Föreliggande uppfinning avser att eliminera sådana felsignaler, vilket sker genom att mata sökspolens primärlindning med en växelström sammansatt av åtminstone två växelströmmar med olika frekvenser såsom angivet i känne- tecknet i bifogade patentkrav. Genom fasstyrd likriktning filtreras de mot- svarande sekundärspänningarna från varandra, varefter man i en räknekrets kan få fram de signaler som svarar mot oönskade metallföremål i material- flödet medan ointressanta signaler elimineras.

Genom att använda strömmar med olika frekvenser och matcha ihop de mot- svarande likriktade sekundärspänningarna på rätt sätt blir det enligt upp- finningen möjligt att separera ointressanta signaler från de relevanta komponenterna.

Liknande principer är tidigare kända från annan form av metalldetektering - exempelvis då det gäller att söka värdeföremål, vapen och liknande i jorden - men härvid sker utvärderingen av signalerna på annat sätt.

Enligt en vidareutveckling av uppfinningen styrs likriktningen av sekun- därspänningarna med en fasvinkel lika med noll eller åtminstone nära noll, varvid man filtrerar bort de imaginära delarna av signalerna, som annars kan ge anledning till störningar.

Uppfinningen skall för övrigt närmare beskrivas under hänvisning till bi- fogade ritningar, där fig 1 visar principen för en koppling enligt uppfin- ningen och fig 2 visar utgångssignalen från sökspolen när en metallpar- tikel passerar denna. Fig 3 anger i kurvform de signaler man får från mate- rial med olika ledningsförmåga vid olika frekvenser. Fig Ä visar på lik- nande sätt hur storleken på ledande föremål inverkar på signalerna och fig 5 visar hur signalerna kan göras oberoende av denna storlek. Fig 6 visar hur den storleksoberoende signalen ändrar sig vid olika lednings- förmåga.

Fig 1 visar själva sökspolen 1 som innehåller en primärspole 2 och två motkopplade sekundärspolar 3 anslutna till en förstärkare 4, varifrån utsånsssisnalen leds u: för vidare behandling. spolar-na 2 och 3 är» lämp- ligen placerade på ett rör, varigenom materialflödet leds såsom närmare beskrivas vid fig 2. 10 20 30 8202094-2 Primärspolen 2 matas med en sammansatt ström från en summator 5. Till denna anslutas åtminstone två, i fallet i fig 1 tre växelströmkällor 11, 12, 13, vilka strömmar i1, i2, i3 har olika frekvens f1, f2, f3. Utgångsspänningen från förstärkaren U anslutes till likriktare 21, 22, 23 motsvarande de matande växelströmmarna. Dessa likriktare är parallellkopplade och styrda från de motsvarande växelströmmarna med en viss fasvinkel, som är densamma för alla likriktare.

Strömmarna i1, i2, i3 väljs lämpligen med sådan amplitud att de därav indu- cerade spänningarna e1, e2, e3 i sekundärlindningarna får samma effektiv- värde, vilket innebär att strömmarna väljs i förhållande till frekvenserna så att produkten av deras effektivvärden och frekvenser blir densamma för alla, dvs i1 x f1 = i2 x f2 = i3 x f3.

Teoretiskt kan man tänka sig olika styrvinklar för likriktarna. Styr man med styrvinkeln 00 får man fram ett mått för utgångsspänningens realdel och styr man med styrvinkeln 90° får man imaginärdelen av denna spänning.

Genom att välja styrvinkeln Oo får man som nämnts fram realdelen, vilket motsvarar de resistiva förlusterna i ledande material i materialflödet.

Detta är i regel att föredra, enär flertalet av störningar, såsom vibra- tioner i sökspolen, magnetiskt bakgrundsmaterial m m, huvudsakligen går in på den imaginära delen av signalen. Detta utesluter dock inte att det i vissa fall kan vara motiverat att avvika från styrvinkeln 00 och eventuellt i vissa fall använda den imaginära delen vid styrvinkeln 900.

Genom att styra de olika likriktarna med samma fas- eller styrvinkel i relation till den motsvarande primärströmmen får man från varje likriktare ut en signal som motsvarar denna strömkomponent, medan signaler av annan frekvens undertrycks. Denna effekt förstärks om de olika frekvenserna står i ett heltalsförhâllande till varandra, närmare bestämt förhållandena mel- lan dem är delbara med två. För att undvika störande övertoner bör primär- strömmarna dessutom vara så nära sinusformade som möjligt.

Utgångssignalerna från likriktarna glättas i glättningsfilter 31, 32, 33, varifrån man får ut likspänningssignaler F(e) motsvarande de olika sekun- därspänningarna e1, e2, e3. Dessa signaler behandlas i en räknekrets om-_ fattande en summator 6 för de slika signalerna. Signalen motsvarande spän- ningen med lägst frekvens, i det visade fallet e1, ansluts lämpligen direkt "3- I 4 10 15 20 25 30 35 8202094-2 till summatorn 6, medan de övriga signalerna multipliceras med.en faktor kxG(%%), där k är en konstant faktor i regel av storleksordningen 1, medan G är en funktion av förhållandet mellan den lägsta frekvensen och den mot-' svarande signalfrekvensen såsom närmare skall beskrivas i det följande.

Hur många olika frekvenser och därmed tillhörande likriktare m m som be- hövs och hur de motsvarande signalerna skall behandlas beror på vilka störningar som skall elimineras och detta kommer närmare att förklaras i det följande.

Dessförinnan skall dock hänvisas till fig 2, som visar hur sökspolen är uppbyggd och hur signalen växer upp då en metallpartikel 7 (fig 1) passerar den. Fig 2 visar ett rör 8, på vilket primärspolen 2 är placerad i mitten medan sekundärspolarna 3 är placerade symmetriskt på var sin sida om pri- märspolen. På fig 2 har vidare ritats in ett koordinatsystem där abscissan anger spolens axel. Man tänker sig alltså att materialflödet går utmed' denna axel och in genom röret 8. Genom sökspolens symmetriska uppbyggnad och motkopplingen av sekundärspolarna uppnås att utgångssignalen härifrån blir ungefär noll så länge inga magnetiska eller ledande föremål uppträder i spolens känselområde. Om nu en ledande partikel följer med materialflödet exempelvis i riktning från vänster till höger kommer denna att påverkas av sökspolens magnetfält, vilket i första hand avkännes starkast i den vänstra sekundärspolen så att en negativ differensspänníng växer upp på sekundär- sidan. Denna signal ökar till ett maximum, vars läge beror på spoldimen- sionerna. Därefter avtar signalen snabbt och blir noll då partikeln passe- rar primärspolen, varefter signalen lika snabbt växer upp till ett positivt maximalvärde, varefter den långsamt avtar mot noll. Kurvan I i fig 2 visar signalen i linjär skala, medan kurvan II visar signalen i logaritmisk skala.

Som ett första exempel på en störsignal kan man tänka sig den som kommer från svagt ledande material i materialflödet, i synnerhet om detta svagt ledande material har relativt stor utsträckning. Detta kan exempelvis före- komma om det är fråga om att sortera timmerstockar där inväxta metallpar- tiklar kan ställa till stor förtret och därför måste sorteras bort, men där en genomsur stock också kan ge signal för ledande material trots att denna stock är helt harmlös 1 materialbehandlingen.

Emellertid visar det sig att signalen vid olika ledande material som kommer in i spolens känselområde är starkt frekvensberoende och detta beroende är dessutom beroende av materialets ledningsförmåga såsom anges i fig 3. 15 20 25 30 8202094--2 Fig 3 visar sambandet mellan frekvensen och den reella delen av signalen från ledande material, varvid abscissan anger frekvensen i kHz. Kurvan I motsvarar ett material med låg ledningsförmåga, i föreliggande fall en behållare med en stark saltlösning, medan kurvan II motsvarar en metall- partikel av några millimeters utsträckning, exempelvis en kopparcylinder med 5 mm diameter. För saltlösningen ser man att kurvan I växer upp lin- järt, medan kurvan II växer linjärt upp till exempelvis frekvensen 2 kHz, varefter den uppnår mättning på grund av strömförträngningen.

För att utnyttja dessa förhållanden använder man vid kopplingen enligt fig 1 endast de första två strömmarna i1, i2 och därmed spänningarna e1 och e2 och låter multiplikatorkretsen H2 innehålla faktorn -kxåš. På så vis får utgångssignalen från summatorn 6 utseendet F(e1) - k x F(e2) x ål (1) .f2 Väljes frekvenserna f1 och f2 till exempelvis 2 och 8 kHz betyder detta för ett svagt ledande material, såsom surt trämaterial, att de två ter- merna i ovannämnda uttryck blir i det närmaste lika om faktorn k väljes omkring 1, varvid signalen blir noll, medan för en bra ledare den andra- termen blir liten så att man får en klar utsignal från 6.

Förutom att man på så sätt får bortsållat signalerna från exempelvis surt material slipper man även signaler från mycket tunna, ledande föremål, såsom t ex aluminiumfolie, vilket tidigare har gett onödiga signaler.

En annan störningskälla som kan ge oönskade signaler är ledande material i omgivningen. Det är lätt att förstå hur svårt det kan vara att_undvika sådant störande bakgrundsmaterial i exempelvis en industrianläggning. Lika besvärligt blir det att avskärrna sökspolen från sådant störande material.

Av fig 2 framgår att sökspolens känslighet faller starkt med avståndet från spolen och att de ledande partiklar som leds in genom spolen kommer att ge en kraftig signal. Likaså ser man att signalnivån i ett avstånd av två gånger spolens diameter är närmast försumbar i förhållande till signa- lens amplitudvärde. Om man därför kunde undvika ledande material inom en zon med en radie på en till två gånger spolens diameter, borde man i och för sig ha tillräckligt kraftig signal från partiklar som går in genom spo- len jämfört med signaler från liknande partiklar utanför denna zon. 10 20 25 30 8202094--2 6 Problemet är emellertid att kurvorna i fig 2 avser en partikel av en viss storlek. Med ökande storlek på det ledande föremålet ökar även signalnivån kraftigt så att ett stort föremål relativt långt borta kan ge samma sig- nal som en mindre partikel inne i spolen. Uppfinningen gör det emellertid möjligt att kompensera beroendet av storleken av föremål som befinner sig inom spolens känselområde genom att beakta att de resistiva virvelströmsför- lusterna är omvänt proportionella mot roten av frekvensen såsom visas i fig U.

Kurvorna i fig Ä är i princip desamma som kurvan II i fig 3 med den skill-. naden att i fig 4 har abscissan och ordinatan gjorts logaritmiska. Man ser att över en viss frekvens blir kurvorna linjärt fallande motsvarande omvänd proportionalitet mot roten av frekvensen. Kurvornas maximalpunkt varierar på så sätt att när föremålets utsträckning ökar kommer även maximalvärdet att öka samtidigt som maximalvärdet infaller vid lägre frekvens. Kurvan kommer alltså att förskjutas uppåt till vänster med ökande storlek på föremålen så att kurvan a motsvarar det minsta föremålet och kurvan c det största. Med ökande resistivitet hos materialet förskjuts kurvorna mot höger så att om kurvan c exempelvis motsvarar koppar så kan kurvan d motsvara exempelvis rostfritt stål eller liknande, och då av ungefär samma storlek på föremålet i de två fallen. För rostfritt stål kan man då tänka sig andra kurvor motsvarande a och b bara förskjutna åt höger.

I fig 5 visas hur signalen motsvarande resistiva förluster varierar med föremålets storlek vid två olika frekvenser f1 och f2, där f2 är högre än f1. Abscissan avbildar föremålets diameter i mm i logaritmisk skala, medan 'ordinatan anger signalen också i logaritmisk skala. Som nämnts vid fig 4 ökar signalen med storleken på föremålet och avtar över en viss frekvens med frekvensen så att kurvan A vid frekvensen f1 ligger högre än kurvan B vid frekvensen f2 för ett och samma föremål. Kurvorna A och B blir i det närmaste parallella på de linjära delarna så att om man bildar en relativ skillnadssignal mellan dem får man en nästan konstant signal enligt kurvan “ C, dvs en signal som är i det närmaste oberoende av det ledande föremålets storlek. En sådan subtraktion av signaler sker enligt fig 1 genom att multi- plikatorkretsen 42 innehåller roten av frekvensförhållandet så att den resulterande signalfunktionen får utseendet k x F(e2) XE- - F(e1) (2) 15 20 25 30 8202094-2 Liksom vid funktionen (1) enligt fig 3 är k av storleksordningen 1, var- vid det kan vara motiverat att låta k vara litet större än 1, vilket innebär att kurvan inte blir helt vågrät utan litet stigande med ökande storlek på föremåletså att anordningen blir något känslig för storleken av ledande föremål.

Huvudsaken är emellertid att med en signalfunktion enligt (2) blir signa- len framför allt beroende av föremålets närhet till spolen så att det blir lätt att begränsa utgångssignalen till den som uppkommer när ett föremål kommer in genom spolen, medan svagare signaler filtreras bort.

Som framgår av fig H blir signalen enligt funktionen (2) beroende.av led- ningsförmågan hos de Föremål som man vill indikera i materíalflödet. Detta betyder att kurvan C i fig 5 för material med olika ledningsförmåga får * olika förlopp såsom anges i fig 6 där kurvan C' t ex motsvarar koppar, medan kurvan C" kan motsvara rostfritt stål. Detta bör man alltså ta hän- syn till vid val av frekvenserna f1 och f2. ofta är» dock förhållandet den att de föremål som man söker- i materiaifiö- det (spik, järn- och stålbitar) har samma karaktär och därmed resistivitet som de stora föremål som ingår i konstruktioner i omgivningen, samtidigt som föremål av låg resistivitet (aluminium) är av mindre betydelse. I ett sådant fall väljer man då lämpligen frekvenserna så att anordningen blir mindre känslig för föremålen med låg resistivitet. önskar man däremot att kunna urskilja goda ledare i materialflödet från stora, dåliga ledare i omgivningen kan det bli nödvändigt att para ihop signalerna F(e]) och F(e2) enligt flera olika funktioner.

En sådan möjlighet består i att lägga in ännu en strömkälla 13 i fig 1 med frekvensen f3 och en motsvarande fasstyrd likriktare 23 och filter 33 samt multiplikatorkrets H3 och para ihop dessa tre signaler enligt en lämplig funktion. Eventuellt kan det då vara nödvändigt eller åtminstone praktiskt att också lägga in en multiplikatorkrets H1 på utgången från filtret 31. Därigenom får signalfunktionen följande utseende: k1 X F(e1) *~k2 x F(e2) + k3 x F(e3) (3) 10 15 20 82Û2Û94~2 Denna signalfunktion skall alltså vara noll eller nästan noll både vid inflytande av dåliga ledare och vid inflytandet från stora föremål i om- givningen.

Av förklaringarna till fig 3-5 framgår att de från svagt ledande föremål härrörande spänningarna F(e) i det närmaste uppfyller relationerna F(e1) _ F(e2) _ F(e3) ' T' f2 “ fa » i (u) och att de från större ledande föremål i omgivningen härrörande spän- I ningarna F(e) i det närmaste uppfyller relationerna Fnænx /šï = ma) Få = maa) Fa *i <5) En genomräkning av dessa tre uttryck ger följande signalfunktion: E-ß/š-å<1-1 +üfšš (1 -m -åjxr (63) I detta uttryck har införts en faktor (1 - k) där k är en konstant nära noll. Orsaken härtill är att man ofta inte önskar att helt och hållet kompensera bort beroendet av storleken på föremålen. Dels vill man ofta ha fram ett visst storleksberoende i signalen och framför allt vill man undvika att variationer i utrustningen skall kunna medföra en överkompen- sering för storleken så att stora föremål i flödet ger mindre signaler än mindre föremål. Det har visat sig att lämpligen väljs k = 0,01 - 0;1. Även om ovannämnda uttryck verkar ganska komplicerat blir det dock oftast betydligt enklare i praktiken. väljs t ex k = 0 och f3 = H x f2 = 16 x fi fås följande enkla funktion efter förkortning -4 x f(e1) + 9 x f(e2) - 2 x F(e3)

Claims (7)

8202094-2 PATENTKRAV

1. Anordning för detektering av metallföremâl i ett materialflöde om- fattande en sökspole (1) med en primärspole (2) och en sekundärspole (3), en strömkälla för matning av primärspolen med en växelström och en utgångs- krets för sekundärspolen, vilken krets avger en signal då ett metallföremål kommer in i sökspolens känselområde, varvid strömkällan (11, 12, 13) levere- rar åtminstone två växelströmmar (i1, i2, i3) med olika frekvens (f1, f2, f3), k ä n n e t_e c k n a d därav, att sekundärspolens utgångskrets omfattar en fasstyrd likriktare (21, 22, 23) motsvarande var och en av nämnda växelströmmar, styrd med en viss fasvinkel i relation till den motsva- rande växelströmmen, samt en räknekrets (6, 41, 42, 43) för härledning av skillnaden mellan en likriktarspänning och produkten av en annan lik- riktarspänning och en faktor innehållande relationen mellan frekvenserna hos de motsvarande växelströmmarna.

2. Anordning enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att fasvinkeln för styrning av likriktarna (21, 22, 23) är åtminstone i det närmaste noll.

3. Anordning enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att de olika växelströmmarnas Q1, i2, i3) frekvenser (f1, f2, f3) står i hel- talsförhållande till varandra, företrädesvis jämnt delbara med två. Ä. Anordning enligt patentkrav 2, vilken anordning skall kunna skilja metallföremål från föremål med lägre ledningsförmåga, k ä n n e t e c k - n a d därav, att strömkällans (11, 12) ström är sammansatt av två strömmar med frekvenserna f1 och f2 och att räknekretsen (6, B2),räknar ut en sig- nal enligt funktionen f1

4. F(e1) - k A fa x F(e2) där F(e) är ett mått för de likriktade sekundärspänningarna (el och e2) och k är en konstant faktor, företrädesvis omkring 1.

5. Anordning enligt patentkrav 2, vilken anordning skall ha låg känslig- het för ledande material i omgivningen, k ä n n e t e c k n a d därav, att strömkällans (11, 12) ström är sammansatt av två strömmar med frekven- .~, . l I 8202094--2 10 serna fl och f2 och att räknekretsen (6, H2) räknar ut en signal enligt funktionen F(e1) - k x /š-x F(e2) där F(e) är ett mått för de likriktade sekundärspänningarna (e1 och e2) och k är en konstant faktor, företrädesvis omkring 1.

6. Anordning enligt patentkrav 2, vilken anordning ärvavsedd att kunna avskilja signalerna från såväl svagt ledande föremål i ett materialflöde som från större ledande föremål i omgivningen, k ä n n e t e c k n a d därav, att strömkällans (11, 12, 13) ström är sammansatt av tre strömmar med frekvenserna fl, f2 och f3 och att räknekretsen (6, H1, 42, 43) räknar ut en signal enligt funktionen k1 x F(e1) + k2 x F(e2) + k3 x F(e3) ' (I) där F(e) är ett mått för de likriktade sekundärspänningarna (e1, e2, e3) och konstanterna k är valda i förhållande till frekvenserna f utifrån vill villkoren att a) de från svagt ledande föremål härrörande spänningarna F(e) i det när- maste uppfyller relationerna Fí=-----_ochatt b) de från större ledande föremål i omgivningen härrörande spänningarna F(e) i det närmaste uppfyller relationerna men x få = F(e2) x få = F(e3) x yfïš och att c) i nämnda två fall funktionen (I) i det närmaste blir noll.

7. Anordning enligt patentkrav 6, k ä n n e t e c k n a d därav, att funktionen (I) har formeln _ Éš. 22. E _ Ãå l/.fl ßEE-fz (1 MJ xF(e1)+ fl- f3JxF(e2)+ f1 f2 (1 - k) - ET X F(e3) där k är en konstant nära noll.