SE440832B - Utrustning och metod for att identifiera foremal med elektriskt ledande egenskaper - Google Patents

Description

west *ß 10 15 20 25 BO 55 Tidigare utrustningar har begränsad användbarhet på grund av deras oförmåga att kunna skilja mellan olika typer av före- mål, och vid användningen av dessa utrustningar för detek- tering vid flygplatser har man haft ständiga problem med falska alarm.

I och med utvecklandet av utrustningen enligt uppfinningen har det nu blivit möjligt att noggrant erhålla information med avseende på typen av ledande föremål placerat i spol- fältet, innefattande information rörande de olika metall- komponenter som finns i detsamma om där finns mer än en metall. Detta gör det möjligt att urskilja olika slag av metallföremål av intresse och därmed förebygga falska alarm.

Utrustningen enligt uppfinningen innebär ocksâ ett genom- brott därigenom att noggranna, repeterbara mätningar kan erhållas, vilka gör det möjligt att använda sådana system även inom andra områden, såsom för metallklassificering, provtagning, undersökning av ledande lösningar och djur- vävnader samt för märkningstekniker.

REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN Föreliggande uppfinning hänför sig till metalldetekterings- utrustningar för föremål med elektriskt ledande egenskaper och speciellt till en mer avancerad och förfinad typ av detekteringsutrustning än som tidigare varit möjlig.

Utrustningen gör det möjligt att med stor noggrannhet under- söka ett specifikt föremål och kan användas som ett hjälp- medel för att sortera olika slag av metall och härvid även göra möjligt att skilja mellan olika slag av handeldvapen.

I princip baseras denna nya detekteringsutrustning på upp- täckten att i ett i förväg balanserat spolsystem den verk- liga resistiva komponenten hos den impedansändring som 10 15 20 25 30 35 7904$29~S uppstår i spolsystemet beroende på virvelströmförluster, dividerad med den pålagda frekvensen (éåå), ger ett värde som varierar med frekvensen och uppvisa; en topp vid en enda toppfrekvens, efter införandet av ett elektriskt ledande eller metallföremål. Detta toppfrekvensvärde är proportionellt mot tvärsektionsarean hos föremålet i ett transversalplan till spolen. Det har vidare visat sig att toppfrekvensen, eller den som inträffar vid ett maximalt šëšfi -värde, är proportionell mot föremâlets resistivitet digiderad med dess tvärsektionsarea.

Emellertid kan dessa resultat inte uppnås med mindre än att mycket noggranna mätningar utförs och_alla utifrån kommande effekter orsakade av olika komponenter i utrustningen, såsom frekvensgeneratorn, spol- och detekteringsströmkretsar, har tagits hänsyn till. För att få en riktig bild av effekten på provet är det därför nödvändigt att se endast till änd- ringen i den verkliga resistiva komponenten i spolsystemet.

Den verkliga resistivitetskomponentändringen kan erhållas endast om utgångssignalen hänförs till inom en grad av fasen hos den signal som pålagts ingångsspolen. Såvida detta fasförhållande, vilket i fortsättningen benämns O°-fasvrid- ning, hålls, kommer de uppnådda resultaten inte att ge den noggrannhet som krävs för de flesta tänkta användningarna av utrustningen.

KORT FIGURBESKRIVNING Fig. 1 visar en ömsesidig induktansdetektorströmkrets.

Fig. 2 är ett diagram över den sekundära spolsignalen och illustrerar den förskjutning som orsakas av att ett metallföremål placeras mellan spolarna i Fig. 1. 10 15 20 25 30 35 Fig. 3 Fig. 4 Fig. 5 Fig. 6 Fig. 7 Fig. 8 Fig. 9 är ett vektordiagram för spänningsamplitudvektorn som visar den resistiva komponenten. är ett diagram över den resistiva komponenten divide- rad med frekvensen som funktion av frekvensen för ett metallföremål. visar en kurva för resistiva komponenttoppvärden aiviaeraae med toppfrekvens sóm funktion av det inverterade värdet av toppfrekvensen och visar det linjära förhållandet hos toppvärdena då tvärsektions- arean och tvärsektionsgeometrin hos ett metallföremål varierar. visar i kurvform på liknande sätt som Fig. 5 de linjära förhållandena för olika typer av metall- föremål. utgör ett kurvdiagram liknande det i Fig. 4 oeh visar toppkurvsignalen när ett flertal bitar har placerats i spolen. visar en andra typ av detektorströmkrets som utnyttjar en balanserad bryggkoppling. visar ännu en typ av detektorkoppling som utnyttjar en delad spole balanserad på sekundärsidan.

Fig. 10 visar en kurva över den resistiva komponenten divi- rig. 11 derad med frekvensen som funktion av frekvensen, vilken ger signaturen för en rostfri stålrevolver av märket Smith and Wesson. visar en kurva av den resistiva komponenten dividerad med frekvensen som funktion av frekvensen, illustre- rande signaturen för en revolver av märket Titan .25. 10 15 20 25 30 35 7904329-*5 Fig. 12 visar ett blockdiagram av detektorutrustningen, varvid en minidator används för att jämföra den erhållna signaturen med sådana för kända föremål.

Eig. 13 visar ett blockdiagram för programelementen hos detektorutrustningen i Pig. 12, och Fig. 14 visar ett blockdiagram för detektorutrustningen illustrerande faskänslig detektering med utnytt- jande av analoga switch-kopplingar och digitala, logiska, integrerade kopplingar.

BESKRIVNING AV UTFÖRINGSFORMER Referande först till Fig. 1 visas en detektorutrustning 10, i vilken växelströmssignalkällan 12 ger en signal till ingångs- eller primärspolen 14. Sekundärspolen 16 är an~ sluten till en faskänslig detektor 18, som kommer att registrera ändringarna i sekundärspolens signal då ett metallföremål placeras i fältet, såsom schematiskt visas mellan ingångs- eller primärspolen 14 och sekundärspolen 16.

Spoldiametern kan ha vilken storlek som helst från en mycket liten provspole på ca 300 mm (12") till en spole på ca 180 cm (6 eng.foot) som är tillräckligt stor för att stiga in i.

Föremålet kan placeras endera inuti spolen, varvid man får maximal reaktion eller på utsidan men nära spolen så att man håller sig inom det alstrade magnetiska fältet.

Man har funnit att försök med metaller kan utföras vid frekvensområden från 100 till 10 000 Hz. Om emellertid frekvensen ökas till 1-10 MHZ-området kan testresultat erhållas för prover med elektriskt ledande egenskaper såsom explosiva ämnen av metallpulvertyp, animala vävnader, vatten~ lösningar, jonlösningar och suspensioner. 10 15 20 25 50 Vektordiagrammet i Fig. 3 visar situationen då ett metall- föremål, såsom metallföremålet 20, införs i fältet mellan ingångs- eller primärspolen 14 och sekundärspolen 16. Vektorn A har betecknats 32. Denna vektor bildar en vinkel 34 mot Oo-faslinjen och representerar storleken av förskjutningen visad i" rig. 2 i det naara diagrammet via 30. En avläsning av intresse för uppfinningen är den resistiva komponenten ÄÄE visad vid 36 som sträcker sig längs Oo-faslinjen. Detta värde är det utslag som registrerats av den faskänsliga detektorn 18. Det är ett av de väsentliga värden som används enligt principerna för uppfinningen. Det möjliggör att finna toppvärden på virvelströmsförluster genom att plotta den resistiva komponenten dividerad med motsvarande frekvens som funktion av frekvensen. Detta visas i Fig. 4 för ett metallprov med tre olika tvärsektionsareor. Det större provet A representeras av kurvan 58 som har ett maximum vid 40. Denna kurva ger vad som kan kallas toppfrekvensen, vilken visas genom den streckade linjen 42. Med denna kurva kan man alltså beräkna värdet på toppfrekvensen och mot- svarande resistiva komponent dividerad med frekvensen.

Provet B som har mindre tvärsektion än provet A men är av samma material ger en toppkurva 44 med en toppunkt (maximum) 46 som har lägre amplitud än toppunkten för det större provet A. Toppfrekvenslinjen 48 visar att toppfrekvensen för det mindre provet är högre än för det större provet.

Detta gäller också för provet C, som är av samma metall som proven A och B men har mindre tvärsektionsarea än provet B.

Toppfrekvenskurvan 50 för prov C är något flackarc och har ett toppvärde 52 med avsevärt mindre amplitud än något av de andra proven. Toppfrekvenslinjen 54 visar att den också har ett avsevärt högre toppfrekvensvärde. 10 15 20 30 35 729043 »Zäïr-E Det bör noteras att topparna för alla de tre prover som visas i Fig. 4 ligger i en rät linje och att en kurva för det inverterade värdet på frekvensen, såsom visas i Pig. 5, baserat på toppfrekvensvärdena för dessa tre prover ger en rät linje 58. Ordinatan för amplituden i detta diagram utgörs av den resistiva komponenten dividerad med toppfrekven- sen medan abscissan utgörs av det inverterade värdet på toppfrekvensvärdena.

En plottning av toppfrekvensvärdena för proverna A, B och C visas genom hänvisningsbeteckningarna 58, 60 resp 62. Den streckade linjen 64 representerar en geometrisk faktor. Man har funnit att lutningen på denna linje varierar något med ändringar i tvärsnittsformen. I diagrammet återger linjen 56 avläsningar gjorda med ett testföremål med kvadratisk tvär- sektion. Den streckade linjen 64 indikerar den lutnings- ändring som man kan förvänta sig då man har en avsevärd ändring i geometrin.

Man bör även notera att dessa toppfrekvensvärden kommer att variera avsevärt beroende på den slags metall som används, enär resistiviteten hos metallen utgör en väsentlig faktor.

Detta kan tydligt iakttas då man betraktar de i Fig. 6 visade kurvorna.

Fig. 6 utgör ett detaljerat diagram av samma typ som det som visas i Fig. 5 och visar frekvenskarakteristikerna för olika metallföremål. Man bör observera att i detta diagram har hänsyn tagits till spolformen för de givna värdena, såtillvida att toppamplitudsvärdet innefattar den resistiva komponenten dividerad med toppfrekvensen samt det inverterade värdet på antalet lindningsvarv hos ingångsspolen och det inverterade värdet på den magnetiska flödestätheten uttryckt i Weber/mg (éšfi . l_). Abscissan för denna kurva utgörs av det inverte- rade vägået av toppfrekvensen uttryckt i hundradelar av en sekund. 10 1š 20 25 30 35 De band som visas i diagrammet för de olika metallslagen har ett vidsträckt område av lutningsvärden. Den primära faktorn vid bestämning av bandlutningen utgörs av resisti- viteten hos ifrågavarande metall. Bandet 66, som represen- terar det linjära området av toppvärden för rostfritt stål, har en mycket hög resistivitet jämfört med bättre ledande metaller såsom koppar och aluminium. Bandet 68 visar området för toppfrekvensvärden för stål. Detta band, liksom alla andra bena visaae i diagrammet, sprider sig solfjäaers- formigt ut från grigo 70. Den omfattande skillna- den i lutning hos de olika banden är att hänföra till mot- svarande omfattande område för resistivitetsvärdena för de visade metallerna. Följande tabell för metaller och deras motsvarande resistivitet illustrerar detta: Metall Resistivitet -§Mikro-ohm - centimeter) Koppar 1.7 Aluminium Z 4. o Mässing 7.0 Stål 10.0 Rostfritt stål 72.0 De något divergerande linjerna, vilka bestämmer bredden på varje band, såsom linjerna 72 och 74, återspeglar små ändringar i lutningen, vilka beror på geometriska tvär- sektionsvariationer hos provet. Toppfrekvensen för mässing, aluminium och koppar visas genom banden 76, 78 resp 80.

Vad angår variation i tvärsnittsgeometri kan det prov som testas anses ha ett geometriskt förhållande, G, som är lika med bredden i kvadrat dividerad med höjden i kvadrat, dvs G = aa/b2. Denna faktor beaktas vid kurvorna för de band som visats för varje metall, där den nedre linjen represen- terar ett kvadratiskt block av en provbit (G = 1) medan den 10 15 20 25 30 55 Wflßüsß övre linjen representerar ett rektangulärt nlock med bredden dubbelt så stor som höjden (G = 4).

Refererande exempelvis till aluminiumbandet 78, Pig. 6, innehåller den nedre linjen punkten 82 vid vilken man finner en kvadrattums aluminiumprov (G = 1). Det inverterade topp- frekvensvärdet är appr. 0.58 hundradelar av en sekund, medan den resistiva amplitudkomponentcn éšfi . l_ har ett värde något mindre än 7.5. Ip NEO På motsvarande sätt ligger punkten 84 på den linje som bestämmer den övre gränsen (G = 4) för aluminiumbandet 78.

Detta skulle vara den punkt som ger en avläsning för ett aluminiumföremål med en kvadrattums tvärsnittsarea med bredden dubbelt så stor som höjden. Det bör noteras att punkten 84 harettnågot högre värde på amplituden och ett något lägre värde på tiden för det inverterade värdet på frekvensen. Experimentella data för block av de andra metallerna med samma tvärsnittsdimensioner gav värden för alla dessa metaller, vid vilka amplituden för en kvadrat- tums provbit är ungefär densamma som den för punkterna 82 och 84, eller mer bestämt omkring ett värde av appr. 7.5.

Exempelvis kommer en kvadratisk kopparprovbit med en area av en kvadrattum att få en amplitud av 7.5 och ett inver- terat värde på toppfrekvensen av 1.4 hundradels sekund.

Ehuru man har noterat att variationer i tvärsektionsgeo- metrin har en viss inverkan på lutningen, inverkar ändringar i tvärsektionsarean inte på lutningen men däremot har de en avsevärd inverkan på både amplituden och på värdena för inverterade frekvenser. De blir emellertid proportionella och infaller längs G = 1-linjen för varje band, där prov- biten är kvadratisk. Exempelvis kommer toppfrekvenspunkten för en kvadratisk provbit av tvärsektionsarean en halv kvadrattum att ligga mittemellan origo 70 och punkten 84. 10 15 20 25 50 55 10 För ett kvadratiskt testföremål av aluminium med en tvär- sektionsarea av två kvadrattum kommer toppfrekvensvärdena att ligga längs G = 1-linjen på en punkt två gånger avstån- det från origo 70 till punkten 82.

Vid användning av diagrammet i Fig. 6 för att bestämma resistiviteten och tvärsektionsarean hos ett okänt föremål erhålls värden på amplituden och inverterade toppfrekvensen från en kurvlinje i Fig. 4. Värdet 0.45 hundradels sekund på inverterade toppfrekvensen ger den vertikala referenslin- jen 86. Vidare ger amplitudvärdet (¿&R . j__ ) = 6.5 ' 10-4 den horisontella referenslinjen 88. fp N30 Skärningspunkten 90 mellan dessa linjer anger att det okända föremålet i spolanordningen är gjort av aluminium och har en tvärsektionsarea något mindre än en kvadrattum.

Såsom kan ses av det sätt på vilket de respektive banden är åtskilda från varandra är det möjligt att lätt skilja en metall från en annan med värdena på den resistiva komponenten och inverterade toppfrekvensen även om avsevärda skillnader i tvärsektionsform föreligger.

I den föregående diskussionen har man utgått från att man har endast ett enda metallföremål. I de flesta detekterings- situationer har man emellertid flera olika föremål som har flera olika metallkomponenter, vilka man önskar detektera.

I dessa fall kommer vart och ett av de olika metallerna att avge sin egen toppsignal. Enligt Fig. 7 avkënns exempelvis tre föremål. Föremål 1 genererar kurvan 92, föremål 2 gene~ rerar kurvan 94 och föremål 3 genererar kurvan 96. Den resulterande sammanläggningskurvan (envelope) innehåller ett enda spår med tre pucklar representerande toppfrekven- sen och amplitudvürdet för ifrågavarande förcufil eller metallkomponenter. Man kan anta att vart och ett av dessa föremål kan vara av olika metaller och ha olika tvärsektion. 10 15 20 25 50 35 V9043L29*5 11 Detekteringsanordningen som använder ändringen i den resis- tiva komponenten är tillräckligt känslig för att urskilja topparna för vart och ett av de olika metallföremälen då de olika frekvensvärdena appliceras.

Pig. 8 visar en balanserad, bryggkopplad detekteringsanord- ning som kan användas. Detta balanserade bryggarrangemang är att föredra jämfört med detekteringssystemet enligt Fig. 1, då det är lättare balanserat och inte uppvisar allvarliga mätstörningar. Signalfrekvensgeneratorn 98 kopplas såsom visas över bryggan mellan ena änden på avkänningsspolen 100 och den motsvarande änden på anpassningsspolen 102. Båda spolarna har liknande värden. Resistansen 104 och den vari- abla resistansen 106 som i allmänhet anpassas till värdet på resistansen 104 bildar de andra benen i bryggan. Den faskänsliga detektorn 108 ansluts mellan spolarnas 100 och 102 gemensamma förbindning på ena sidan och den gemensamma förbindningen mellan resistanserna 104 och 106 på den andra sidan. Avläsningen av den faskänsliga detektorn utnyttjas vid justeringen av den variabla resistansen 106 så att man får balanserade förhållanden över bryggan innan testföremålet 110 införs. Då testföremålet 110 införs i det fält som omger spolen 100, kommer en virvelströmsförlust att göra bryggan obalanserad och den faskänsliga detektorn kommer att avläsa det värde på den resistiva komponenten som måste hänföras till signalen från spolen 100.

Fig. 9 visar en annan typ av kopplingsarrangemang för fas- känslig detektering, vilket har visat sig vara mycket till- fredsställande. Signalfrekvensgeneratorn 112 är ansluten över ingångsspolen 114. Sekundärspolar 116 och 118, vilka har samma värden, är anslutna i sina nedre ändar. Ett fast motstånd 120 är anslutet till övre änden på spolen 118 med sin ena ände och har sin andra ände direkt ansluten till ett variabelt balanseringsmotstånd 122 som är anslutet till :samsas 10 15 20 25 30 35 12 övre änden på spolen 116. En faskänslig detektor 124 är ansluten över spolarnas 116 och 118 gemensamma anslut- ningar med sin ena ände och till den gemensamma förbind- ningen mellan motstånden 120 och 122 med sin andra ände.

Metallföremålet 126 är placerat mellan ingångsspolen 114 och den delade sekundärspolsenhet som består av spelarna 116 och 118. Denna detektoranordning ger maximal känslighet och lätt balanserbarhet med den variabla resistansen 122.

Den verkliga signatur som kan utvecklas av ett komplext föremål, såsom enupistoi, visas 1 rig. 1o och 11. rig. 1o visar signaturen S för en rostfri stålrevolver, kaliber .58 av märket Smith and Wesson. Ordinatan utgörs av den resis- tiva komponenten dividerad med frekvensen, medan abscissan utgörs av de pålagda frekvensvärdena. Spåret har en hög topp vid punkten 128, som indikerar revolverpipan och ett lägre parti 130. För att erhålla en sådan signatur är det nödvändigt att lägga på ett trettiotal olika frekvenser över 10 KHZ-området. För automatisk analysering, såsom utnyttjas vid kurvanalys, erhålls en medelvågform (average curve envelope) såsom visas genom kurvan 132. Denna kan sedan analyseras och jämföras med en serie signaturer lagrade i anordningen.

Fig. 11 visar signaturen S för en revolver kaliber .25 av märket Titan. Denna signatur har en hög, utpräglad spets vid punkten 134 samt toppar vid punkterna 136 och 158.

Dessa båda signaturer är mycket olika till utseendet. De har toppar vid olika frekvenser och signaturerna ligger på olika amplitudnivåer. Digitala och andra jämförande tekniker gör det möjligt att lätt skilja mellan var och en av dessa två signaturer. Signaturerna för andra vapen och andra typer av föremål är lika utpräglade som i dessa två fall. 10 15 20 25 30 35 9904329-*5 13 Vid detektionsanordningar på flygplatser, där personer som passerar genom spolområdet kan bära på sig många slags metallartiklar, är det också möjligt att lätt peka ut före- komsten av en signatur från en pistol. De olika artiklarna adderar sig till den totala signalvågformen (overall signal envelope) men signaturen från pistolen är ändå lätt utskilj- bar. I nästan alla fall är den signal som åstadkoms av revolvern den dominerande signalen.

Fig. 12 visar i form av ett blockdiagram hur apparatnrdelarna i vapendetektoranordningen är arrangerade. Flerfrekvens- källan 140, som är ekvivalent med frekvenssignalgeneratorerna i Fig. 1, 8 och 9, avger en signal till den balanserade kretsen som har betecknats 142. Det är även möjligt att använda ett balanserat system innefattande en brygga med en enda spole. Arrangemanget är liknande det som visas i Fig. 8, med undantag av att ett resistivt element används istället för spolen 102 i Fig. 8, och att den variabla resistansen 106 i Fig. 8 nu innehåller en variabel kon- densator i parallellkoppling.

I Fig. 12 förmedlar flerfrekvenskällan också en frekvens till flerfrekvenstimern och styraren 144. Frekvensområdet är från 100 till 10 000 Hz och kan innefatta appr. trettio olika frekvenser inom detta område. Detta motsvarar det frekvensområde som visas i Fig. 11 och är mer än tillräck- ligt för alla de situationer för vilka anordningen har konstruerats.

Den flerfaskänsliga detektorsektionen 146 tar emot signalerna från bryggan liksom från timern och styrkretsen 144. Den faskänsliga detektorutgången, liksom utgången från flerfrek- venstimern och styrsektionen 144, är ansluten till mini- datorn 148. Normalt utgörs denna av en BK minnes 16 bit- gruppers minidator. 10 20 25 30 35 14 Beträffande datorn används en analog/digitalomvandlare för att anpassa den faskänsliga detektorkopplingen till datorn. Induktansspoleelektronikens frekvenskurva för den tomma spolen och dess återgivning av en känd resis- tansändring är lagrade i datorminnet. Refererande till Fig. 15 används blocken 152 och 154 för att kalibrera spolelektroniken och för att framställa verkliga O°-fas- komponentdata.

Datorn är utrustad att kunna utföra jämförelser med lagrade datasignaturvärden, med vilka den inkommande digitala signalingången jämförs. Om motsvarighet före- ligger med någon av de lagrade signaler som represen- terar ett vapen eller annat objekt, för vilket kontroll skall utföras, sänder datorn signalen till en alarmström- krets 150.

I stället för att använda de analoga faskänsliga detektor- teknikerna för att avskilja Oo-komponenten vid varje frek- vens är det möjligt att uppnå samma resultat med användande av digitala Fourier-omvandlingstekniker. Detta skulle inne- fatta ersättandet av de individuella, analoga,faskänsliga detektorenheterna för varje frekvens och användandet av en god bredbandförstärkare vid 146 i stället för de faskänsliga detektorenheterna. Detta tillsammans med att man använder en noggrann vippgenerator för tidavböjning såsom klocka gör det möjligt att utnyttja Fourier-tekniken. Aktuella data studeras vid fixa tidintervall och analyseras i minidatorn genom gängse Fourier-omvandlingsteknik.

- Fig. 15 visar de grundläggande, logiska stegen och funk- tionerna hos systemet i Fig. 12 med användning av fas- detektor. Inledningsvis har man bryggkalíbreringsprogrammet som illustrerats inom blocket 152, följt av fassorterings- programmet indikerat genom blocket 154. 10 15 20 25 30 79 0 *3-29 r 5 Värdena för Oo-fas sorteras - sammanställs - därefter såsom indikerats genom blocket 156, så att man erhåller värden på den resistiva komponenten för 00-fas samt topp- frekvensvärden.

Förrådet 158 av hotelsedata matas in i uppsöknings- och jämförelseblocket 160 för att jämföras med de ingångs- signaler som tillföres från toppsorteringsblocket 156.

En jämförelse utförs i blocket 160 och om överensstämmelse föreligger mellan hotelse- och inkommande aktiva data sänds en signal till alarmblocket 162.

Fig. 14 visar ett mer detaljerat blockdiagram för en föreslagen detektoranordning. En kristallstyrd oscillator 164 används för att generera en standardfrekvens som till- förs ett varierbart frekvensdelarnät 166. Utgången är anslu- ten till en frekvensdelarkedja 168 med tre utgångar. Den första går till kontrollblocket 170 för delarkedjan. Den andra utgången går till kantvågadderarsektionen 172 och därefter till signalblandarblocket 174 och effektstyraren (power driver) 176. Utgången från effektstyraren är ansluten till provspolbryggan 178 och dennas utgång är ansluten till den faskänsliga detektorsektionen 180.

Beträffande den faskänsliga detektorkretskopplingen är det möjligt att använda konventionella, analoga omkopplaranord- ningar som lätt kan användas med den koppling för fasthåll- ning av ögonblicksvärden som krävs för datoranpassning.

Frekvensdelarna utgörs av J-K-vippor, vilka åstadkommer Oo-fas och samtidigt 900-referenskantvågor vid åtta oktav- frekvenser. Tre startfrekvenser åstadkomna i följd av den variabla delaren tillåter avsökning (sampling) av totalt 24 frekvenser mellan omkr 70 Hz och 12.5 KHz. 10 15 20 25 30 35 mygg ,; 16 Kantvågorna styr direkt de faskänsliga detektorernas referenskanaler, och infaskomponenterna analogadderas till att bilda en sammansatt kantvåg innehållande åtta frekvenser. Denna vågform integreras i en blandare för att bilda en sammansatt triangelvåg. De höga frekvenserna förförstärks i adderaren för att göra triangelamplituden densamma för alla frekvenser. Effektoperationsförstärkare pålägger denna signal på bryggan, och obalanssignalen förstärks och fasdetekteras.

Efter ett bestämt antal cykler fasthålls ögonblicksvärdet för fasdetektorutgången tills datorn har accepterat det.

Startfrekvensen ändras och förfarandet upprepas. Då alla frekvenserna har provats, stoppar kontrolldelaren processen.

Afißnrsslimm När det gäller aspekter på anordningens arbetssätt har man funnit att fasförhållandena är kritiska vid beräkning av den sanna, resistiva komponenten. Eftersom mätningar av spänningsbalansen görs i 10-100/uV-området och innefattar en faktor av en 1:10 000 måste all utrustning göras mycket stabil och med stor noggrannhet för att förhindra införandet av fasvridningar, vilka skulle göra det omöjligt att upprätt- hålla OO-fasförhållandet, vilket krävs för mätning av verklig resistiv impedanskomponentändring i avkänningsspolen.

Spolen själv måste vara utomordentligt exakt, och man har funnit att denna exakthet måste innehâllas till åtminstone en tiotusendel med en föredragen exakthet av en hundratusen- del. Avstånd mellan närliggande lindingsvarv, temperatur- stabilitet hos tråden eller avskärmning från temperatur- variationer och.förebyggande av förskjutning av varven beroende på vibration är viktiga faktorer. Iindningsvarven i spolen har företrädesvis ett mellanrum av 1-2 cm för att minska inre kapacitiva effekter. Spolen bör vara så fri som möjligt från alla utifrån kommande effekter. 10 20 25 30 35 gßgífiiíåíhgswfi 17 Själva oscillatorkretsen måste vara utomordentligt stabil för att förhindra fassvängning eller fasvridning beroende på temperatur, vibration eller instabilitet i dess element.

Variation i signalutgången bör hållas lägre än en tiondels grad vid användning av Fourier-tekniker och en halv grad vid användning av faskänsliga detektorer. Oscillatorelement måste ha låga värmeändringskarakteristika och ligga inom omkring en tiondels procent av deras värden under operation för att förhindra oacceptabla variationshopp i utgångs- signalen. Liknande hårda krav är nödvändiga för bryggan och mätelementen.

Fasvinkeln i ingångsspolen är viktig och alla spänningsdata måste refereras till densamma. Korrigeringar för fasvrid- ning av de olika kretselementen måste göras då mätningar utförs endera uppströms eller nedströms från ingångsspolen.

De olika spelarna i systemet bör vara så identiska som är möjligt och de bör avskärmas från temperaturvariationer.

Alla dessa restriktioner är nödvändiga för att ge ständigt reproducerbara resultat då provets voljm ofta har storleks- ordningen 1 cmj medan spolens volym är 1 mj.

Man har funnit att detta krav kan uppfyllas genom att i tör- väg bestämma vilken denna vinkel är med hänsyn till andra utrustningar, såsom oscillatorn, och göra en korrektion för denna. Det enklaste sättet att bestämma fasvinkeln i ingångsspolen är att placera en resistor i serie med ingångs- spolen och mäta fasvinkeln hos den signal som passerar genom den. Detta möjliggör att man kan bestämma den resistiva delen av spolsystemets utgångssignal orsakad av enbart obalansen i metallföremålet. Genom att använda den kända resistansen i serie med spolen blir det möjligt att uppnå korrektions- data. I detta fall erhålls data både för återgivningen av den enkla spolen och spolen plus resistorn och kan användas 10 15 20 25 30 35 18 i en korrektionsekvation som tar hänsyn både till de reella och imaginära värdena på spänningen. Denna information kan lätt programmeras in i datorn och ingående data kan normalt . . _ N o _ _ modifieras så att man korrigeras for 0 -fasvridning.

Justeringar för 00-fas kan sålunda utföras endera i instru~ menteringen, såsom i fasdetektorkretsen, eller kan kalibre- ringsdata erhållas och inkommande data därefter modifieras, såsom med ett datorsystem som utnyttjar Fourier-teknik så att man erhåller den verkliga resistiva komponenten.

Ovan beskrivna kalibreringsteknik som innefattar införandet av en känd, ren resistans i serie med avkänningsspolen ger kunskap om den del av obalansen i ingångssignalen till avkänningsspolen som orsakas av införandet av ett metall~ föremål.

Den metod som används för att bestämma vilken del av den obalanserade utgångssignalen som motsvarar denna resistiva ändring kommer naturligtvis att bero på den specifika balanseringskrets som används.

I det fall man för mätningskretsen använder ett brygg- arrangemang har det, även om det är lättare att balansera, många extra kopplingselement mellan avkänningsspolen och utgångssignalen. Man måste ha kompensation för de extra kopplingselementen för att bestämma den fasvridning som de förorsakat, och för vilka kompensation måste göras, antingen elektriskt eller genom beräkning efter mätningen.

Så snart de olika fasvridningarna i systemet är kända är det endast fråga om att utföra den lämpliga korrektionen i fas- vridning så att de erhållna resistiva komponentvärdena blir hänförda till den Oo-fas som finns i ingångsspolen. Som ovan nämnts bör korrektionen utföras för att bringa resistivitets- 10 15 20 25 50 35 vlkíszušåš-vs 19 komponentvektorn till inom 1° av den resistiva komponenten hos impedansen för spolsystemet.

Justeringarna för OO-fas kan göras i instrumenteringen eller kalibreringsdata tillämpade vid mätningen för att göra den nödvändiga korrigeringen för OO-fasvridning.

Man har funnit att referens till oscillatorutgångssignalen är en lämplig metod för att erhålla en god, fast fasbas.

Korrektion för fasvridning mellan oscillatorn och avkän- ningsspolen måste utföras för att erhålla Oo-faslinjen, och så snart denna uppnåtts kan en riktig referens göras till utgångssignalens fas erhållen från kretsen och korrek- tion göras så att de är inom 10 från att helt vara i fas med varandra. Man bör komma ihåg att korrigeringsekva- tionerna tar hänsyn till både de reella och de imaginära värdena på spänningen. Denna information kan lätt program- meras in i datorn och ingångsdata kan normalt modiferas för att utföra korrektionen för OO-fasvridning.

Man har funnit att det erhållna värdet vid OO-fasvridning blir mellan +/Ä 5 %. Större förskjutning än +/- 10-tolerans resulterar i betydande noggrannnetsförlust så att aktuella data inte blir reproducerbara för liknande prov. Exempelvis kan man inte tillämpa de rätlinjiga förhållanden som visas i Pig. 6.

I ett komplext föremål är det inte nödvändigt att använda specifika toppfrekvensvärden, eftersom många toppar - ett för vart och ett av de olika metallkomponenterna i det föremål som skall undersökas - kommer att uppträda. Valet av trettio frekvenser i området från 100 till 10 000 Hz kommer att ge ett typiskt område och frambringar de resultat som visats för intressanta signaturer för pistoler och tillåter också att man lätt identifierar andra slags föremål. 10 15 20 25 30 55 rsgfiæsíav-ffss 20 För att utveckla de signaturer som visats i Fig. 10 och 11 väljs relevanta frekvensvärden för såväl resistiviteten hos den sökta metallen som den beräknade tvärsektionsarean.

Refererande till de två figurerna 10 och 11, vilka visar spårsignaturerna, kommer det att vara mycket stor korrela- tion mellan testprovet och det aktuella prov som påträffats.

Vad beträffar olika slags föremål med mindre variationer i utformning och utseende, såsom vid olika typer av pistoler, kommer signaturerna att variera på ett signifikant sätt beroende på skillnaderna i tvärsektionsarea och resistivi- tet hos de olika komponenter av vilka artikeln är sammansatt.

För identifiering kan datorn lagra de olika signaturerna för de kända föremål som skall kontrolleras med hjälp av detekteringsutrustningen, rätta den inkommande signalen för Oo-faskorrelation med ingångsspolsystemsignalen, och sedan jämföra ingående signaldata från det okända föremålet som placerats i sändarspolen med de lagrade signaturerna för att avgöra om överensstämmelse föreligger.

Föremålet placeras fysiskt inuti själva avkänningsspolen.

Inverterade frekvensvärden ändras i hög grad med ändringar i tvärsektionsarean. Detta bör inte blandas samman med änd- ringarna i tvärsektionsgeometrin som har viss inverkan men inte den avsevärda effekt som härrör från resistivitets- och tvärsektionsändringar hos provet, dvs fp = Kg . För att A utveckla de signaturer som visas i Fig. 10 och 11 väljs frekvensvärden som är relevanta både för resistiviteten hos den sökta metallen och för den beräknade tvärsektions- arean.

Spolform och geometri är viktiga att notera eftersom signa- turspåren påverkas av dem. Man bör härvid notera uttrycken 10 15 20 25 30 35 7904329*5 21 N och Bo i Fig. 6. Detta ger en viss ledning beträffande spolformen som är en faktor hos utrustningens kurvkarak- teristika.

Det uttryck som visar de variabler som är att hänföra till ordinatan i Fig. 6 är följande: -Å-IIÉ- = [(1130) §_2_ g1<(a2/b2fl__1_ p 2 /uo fp I ovanstående uttryck gäller följande definitioner: N = antal lindningsvarv i spolen Bo = magnetisk fiöaastäthot (wb/mz) = resistivitet hos metallen som testas (ohm-meter) u = permeabiliteten i fri rymd (4 x 10-7 - MS~enheter) š(:2/b2) = dimensionslös faktor som beror på geometrin genom förhållandet az/bz Alt: ifaskomponent hos den detekterade signalen, se Fig. 2 (volt) f = toppfrekvens (Hz) (N Bo) 2 l?__ K(a2/b2)] - anger lutningen hos de räta ffz /uo linjerna i Fig. 4 (Notera att detta inte är avhängigt av provets tvärsektion.) vad beträffar konstanterna i ekvationen är K(a2/b2) = 1.248; = 1.534; = 1.475 roap.=1.6o7 aa .az/ba = 1, 2, 5 ooh 4.

Vad beträffar själva spelarna kan deras diameter vara från ca 15 cm (6") till ca 180 cm (6 foot). Spolarna avskärmas från rumstemperaturändringar genom isolering eftersom varia- tioner påverkar utdata. Ytterligare ett kompenseringsarrange~ mang som har visat sig effektivt är även att använda sär- skilda termiskt stabila metallegeringar i stället för koppar 10 15 20 25 -17à9 ' 22 i ledarna för att minska termiska effekter. Den 180 cm- spolenheten används vid säkerhetskontroller på flygplatser varvid de personer som skall kontrolleras promenerar genom själva spolen och avsöks med avseende på vapeninnehav.

I denna beskrivning har förhållandet mellan resistivitet, area, toppfrekvens och resistiv komponent dividerat med frekvensen givitssåsom.unika värden vid kurvtoppar. Emeller- tid kan de förhållanden som gäller för resistivitet och tvärsektionsarea vara komplexa. Icke desto mindre är allt som behövs en reproducerbar signatur. Ändeffekter, skugg- effekter, geometriska och magnetiska effekter innebär inga problem eftersom signaturerna för ett och samma föremål blir exakt desamma.

Det torde inses att uppfinningen ytterligare kan modifieras från den gjorda beskrivningen och att föreliggande patent- ansökan skall täcka alla variationer, användningar och/eller tillämpningar av uppfinningen som ligger inom ramen för upp- finningens principer. Uppfinningen innefattar sålunda sådana avvikelser från den föreliggande beskrivningen som tillhör känd eller gängse praxis inom ifrågavarande tekniska område och som kan accepteras i föregående sammanhang och som i övrigt faller inom ramen för uppfinningstanken sådan gonna bestäms av efterföljande patentkrav.

Claims (23)

10 15 20 25 30 35 119 enfas-rss 23 PATENTKRAV

1. l. Utrustning för att identifiera föremål med elektriskt ledande egenskaper, k ä n n e t e c k n a d av a) ett höggradigt stabilt spolsystem för alstrande av ett magnetfält i vilket nämnda föremål införes, innefattande en ingångsspole, och vilket spolsystem är jämförelsevis fritt från utifrån kommande effekter samt alstrande en utgångssignal, b) en frekvensgenerator med ytterst liten variation från beräknade värden, ansluten till ingångsspolen för att pålägga denna ett fler- tal utvalda periodiska frekvenser, c) en faskänslig detektor för registrering, för varje frekvens, av den verkliga resistiva komponenten genom införande av det ledande föremålet i spolsystemet, varvid förhållandet mellan den verkliga resistiva komponenten och den pålagda frekvensen är anordnad att beräknas för varje frekvens genom hänförande av spolsystemets utgångssignal till inom en grad av den signal som pålagts ingångs- spolen för alla pålagda frekvenser.

2. Utrustning enligt krav l, k ä n n e t e c k n a d av att spol- systemvärdena innehålls till minst en tíotusendel av märkvärdena.

3. Utrustning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att spol- systemet innefattar två spolar, av vilka den ena är ingångsspolen, och att båda spolarna är mycket noggrant anpassade till varandra.

4. Utrustning enligt krav l, k ä n n e t e c k n a d av att lind- ningsvarven i spolarna i spolsystemet företrädesvis är åtskilda från varandra l-2 cm för att minska inre kapacitiva effekter.

5. Utrustning enligt krav 1, k ä n n e t e 0 k n a d av att spolarna i spulsystemet uppvisar mycket liten variation i värde beroende på ändring i omgivande temperatur. 10 20 30 35 759 24

6. Utrustning enligt krav l, k ä n n e't e c k n a d av att utgångs- . . . . . ._ O signalen från frekvenssignalgeneratorn har mindre variation an 1/2 .

7. Utrustning enligt krav l, k ä n n e t e c k n a d av att nämnda detektor för att erhålla den verkliga resistiva komponenten innefattar en dator som utnyttjar Fourieranalystekník för att erhålla de verkliga resistiva komponentvärdena.

8. Utrustning för att identifiera föremål enligt krav 7, k ä n n e - t e c k n a d av: a) lagringsorgan för lagring av resistiv komponent delat med motsvarande frekvensvärden, och b) jämförelseorgan för att jämföra därefter genererad resistiv komponent delat med motsvarande frekvensvärden erhållna för ett andra föremål placerat i spolsystemets magnetfält.

9. Utrustning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av: a) att spolsystemet innefattar en sekundärspole, och b) att både ingångs- och sekundärspolarna utgörs av ihåliga spolar, vilkas lindningsvarv är åtskilda men närliggande varandra, varjämte spolarna har en gemensam centrumaxel.

10. Utrustning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att spol- systemet innefattar en anpassningspole identisk med ingångsspolen ansluten i serie med denna i en balanserad bryggkrets.

11. ll. Utrustning enligt krav 10, k ä n n e t e c k n a d av: a) att de två anpassade spolarna är anslutna över två utgångsledningar från nämnda frekvensgenererande organ, b) att två impedanser i serie också är anslutna över nämnda ledningar från nämnda frekvensgenererande organ, 10 15 20 25 30 35 7904329-5 25 c) att en av impedanserna är varierbar för att balansera kretsen, och d) att fastkänsliga detektororgan är anslutna över bryggan mellan å ena sidan de två spolarna och å andra sidan de två impedanserna.

12. Utrustning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av: a) att ingånsspolen utgörs av en ihålig spole ansluten över utgångs- ledningarna från nämnda frekvensgenererande organ, b) att spolsystemet innefattar ett sekundärspolearrangemang med tvâ identiska anpassade ihåliga spolar kopplade i serie och axiellt ordnade relativt varandra och intill ingångsspolen, c) att balanserande varierbara resístiva organ är anslutna i krets med sekundärspolarna, och d) att faskänsliga detektororgan är anslutna i krets mellan sekundär- lindningens två anpassade spolar för mätning av den verkliga resistiva komponenten.

13. l3. Utrustning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att nämnda medel för att erhålla det verkliga resístiva komponentvärdet innefattar medel för att åstadkomma en korrigerande 0°~fasvridning från fasen hos den signal som pålagts spolsystemet.

14. Utrustning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att nämnda frekvensalstrande organ ger signalfrekvenser över ett område av från 100 till 10 000 Hz för att approximativt identifiera metallföremål.

15. Utrustning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att nämnda frekvensalstrande organ ger signalfrekvenser över ett område från 1 till 10 MHz, approximativt för icke metalliska ledande föremål

16. Utrustning enligt krav l, k ä n n e t e c k n a d av: a) att nämnda frekvensalstrande organ innefattar en kristallstyrd oscillator och varierbar frekvensdelarkrets, och 10 15 20 25 30 35 (Híßš-âiåïnß 26 b) att nämnda medel för att erhålla den verkliga resistiva komponenten innefattar ett flertal faskänsliga detektorer.

17. Utrustning enligt krav l, k ä n n e t e c k n a d av: a) att spolsystemet utgörs av en balanserad brygga, b) att datororgan för att jämföra de verkliga resistiva komponentvär- dena för efter varandra följande frekvenser är anslutna till nämnda organ för att erhålla den verkliga resistiva komponenten, och c) att alarmorgan är anslutna till utgången från nämnda datororgan.

18. Sätt att identifiera föremål med elektriskt ledande egenskaper, k ä n n e t e c k n a t av följande steg: a) att ett flertal signalfrekvenser alstras, vilkas variationer är mindre än 1/2°, b) att signalfrekvenserna påläggs ingångsspolen i ett balanserat, höggradigt stabilt spolsystem innefattande en avkänningsspole, c) att ett föremål med elektriskt ledande egenskaper införs i spolsystemets fält, d) att den verkliga resistiva komponenten hos virvelströmsförlusterna erhålls, genom att man inför en känd, ren resistans i den gren av kretsen som innehåller avkänningsspolen, vilken komponent är inom l° från att vara helt i fas med den frekvenssignal som införts till ingångsspolen. e) att den resistiva komponenten divideras med den frekvens som pålagts ingångsspolen, och f) att dessa värden används som en funktion av frekvensen för att bestämma en uppsättning signaturdata för föremålet.

19. Sätt enligt krav 18, k ä n n e t e c k n a L nu att spolsystvmt bnlarlsmrras. så att man c-rhållor nmximal |<3i||::lí;{!1c-f. IT51* (lulmkll-rirui :w 10 15 20 25 30 35 79043 29-5 27 den verkliga resistiva komponent som orsakats genom virvelströms- förlust.

20. Sätt enligt krav 18, k ä n n e t e c k n a t av: a) att ett flertal uppsättningar signaturdata lagras för jämförande ändamål, och b) att uppsättningarna signaturdata jämförs med data erhållna från ett okänt föremål.

21. Sätt enligt krav 18, k ä n n e t e c k n a t av att ett specifikt, likformigt slag av metallföremål med given tvärsektionsarea införs i spolsystemets fält för erhållande av referensdatavärden.

22. Sätt att beräkna karakteristika för frekvenskurvor för föremål med elektriskt ledande egenskaper enligt något av kraven 18 - 21, k ä n n e t e c k n a t av följande steg: a) att ett flertal periodiska signalfrekvenser påläggs ett stabilt spolaggregat i en metallidentifieringsutrustning, h) att spolaggregatet balanseras efter det att nämnda frekvenser pålagts, c) att ett metallprov med känd tvärsekcion och likformig sammansättning införs i spolsystemets fält, d) att den resistiva komponenten hos den spänningsobalans som orsakats av metallföremålet erhålls, och att kompensering sker för fasvridníng med hänsyn till fasen hos ingångsfrekvensen, så att det resistiva komponentvärdet erhålls vid 00-fasvridning, e) att nämnda resistiva komponentvärden divideras med motsvarande frekvenser, och f) att nämnda värden återges l form av ett diagram så att man erhåller en topp vid den frekvens vid vilken resistívíteten hos metallprovet vfiaffiaaes-s 28 dividerad med dess tvärsektionsarea är proportíonell mot den resistiva komponenten av spänningen dividerad med motsvarande frekvens.

23. Sätt enligt krav 22, k ä n n e t e c k n a t av att ett flertal av samma metallprover av olika tvärsektíonsarea införas i spolsystemets fält, och att den verkliga resistiva komponenten av den spännings- oßalans som orsakats av vart och ett av metallföremålen uppmäts. lC