WO2013075861A2 - Metallsensor - Google Patents

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WO2013075861A2
WO2013075861A2 PCT/EP2012/068720 EP2012068720W WO2013075861A2 WO 2013075861 A2 WO2013075861 A2 WO 2013075861A2 EP 2012068720 W EP2012068720 W EP 2012068720W WO 2013075861 A2 WO2013075861 A2 WO 2013075861A2
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WO
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coil
magnetic field
compensation
metal sensor
output voltage
Prior art date
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PCT/EP2012/068720
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English (en)
French (fr)
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WO2013075861A3 (de
Inventor
Markus Hahl
Tobias Zibold
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Priority to CN201280057349.8A priority Critical patent/CN104126133A/zh
Priority to EP12775457.0A priority patent/EP2783245A2/de
Priority to US14/359,600 priority patent/US9638825B2/en
Publication of WO2013075861A2 publication Critical patent/WO2013075861A2/de
Publication of WO2013075861A3 publication Critical patent/WO2013075861A3/de

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V3/00—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation
    • G01V3/08—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation operating with magnetic or electric fields produced or modified by objects or geological structures or by detecting devices
    • G01V3/10—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation operating with magnetic or electric fields produced or modified by objects or geological structures or by detecting devices using induction coils
    • G01V3/104—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation operating with magnetic or electric fields produced or modified by objects or geological structures or by detecting devices using induction coils using several coupled or uncoupled coils
    • G01V3/105—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation operating with magnetic or electric fields produced or modified by objects or geological structures or by detecting devices using induction coils using several coupled or uncoupled coils forming directly coupled primary and secondary coils or loops
    • G01V3/107—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation operating with magnetic or electric fields produced or modified by objects or geological structures or by detecting devices using induction coils using several coupled or uncoupled coils forming directly coupled primary and secondary coils or loops using compensating coil or loop arrangements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R1/00—Details of instruments or arrangements of the types included in groups G01R5/00 - G01R13/00 and G01R31/00
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K2201/00—Indexing scheme relating to printed circuits covered by H05K1/00

Definitions

  • METAL SENSOR The invention relates to a metal sensor according to claim 1, as well as a
  • Metal sensors for finding metallic or otherwise magnetizable objects in walls, floors or in the ground are known from the prior art and use coils to excite magnetic fields and to measure changes in the magnetic flux. Objects are detected by the fact that the measured flux changes differ, depending on whether a magnetisable object is present or not. The measured
  • Flux change is partly a direct consequence of the exciting magnetic field and partly the consequence of the magnetic field emanating from the magnetizable object.
  • the magnetic field emanating from the object is, as a rule, a consequence of the exciting magnetic field.
  • a metal sensor which has two coils which are provided to generate two oppositely oriented magnetic fields whose superposition at the location of a magnetic field sensor of the metal sensor approximately disappears.
  • the magnetic field sensor of the metal sensor detects a zero signal in the absence of a magnetizable object, resulting in a favorable signal-to-noise ratio and high dynamics.
  • the zero signal is also independent of an ambient temperature. In the presence of a magnetizable object, however, the measuring signal of the magnetic field sensor deviates from a zero signal and is generally not temperature-independent. Disclosure of the invention
  • the object of the present invention is therefore to provide an improved metal sensor with reduced or eliminated temperature dependence. This object is achieved by a metal sensor having the features of claim 1. It is a further object of the present invention to provide a method for operating the improved metal sensor. This object is achieved by a method having the features of claim 11. Preferred developments are specified in the dependent claims.
  • a metal sensor according to the invention comprises a primary coil, a compensation coil, a first further coil and a magnetic field sensor.
  • the first additional coil can be energized without energizing the primary coil and the compensation coil.
  • the size of a magnetic field generated only by the first further coil can be measured. From this, advantageously, a temperature dependence of the metal sensor can be determined.
  • this comprises a second further coil, which can be energized without energizing the primary coil and the compensation coil.
  • the second further coil is provided to generate a magnetic field which is oriented antiparallel to a magnetic field that can be generated by the first further coil.
  • the magnetic field generated by the second further coil is of the same strength as the magnetic field generated by the first further coil.
  • the antiparallel magnetic fields generated by the first further coil and the second further coil then overlap, thereby canceling out their dipole moments, which results in the far field of the two further coils having a quadrupole character in a leading order.
  • this comprises a disk-shaped circuit carrier.
  • the primary coil is the compensation coil and the first further coil is disposed on a first surface of the circuit carrier, while the second further coil is disposed on a second surface of the circuit carrier.
  • the coils can also be arranged on inner layers.
  • the magnetic field sensor can then be arranged such that the magnetic fields generated by the first further coil and the second further coil do not completely cancel each other out at the location of the magnetic field sensor.
  • a magnetic field generated at the same time as the primary coil, the compensation coil, the first further coil and the second further coil are energized at the location of the magnetic field sensor disappears.
  • the magnetic field sensor then generates a zero signal in the absence of a magnetizable object in the vicinity of the metal sensor, resulting in a temperature independence, a good signal-to-noise ratio and a high dynamics.
  • the primary coil, the compensation coil and the first further coil are connected in series.
  • this ensures that the primary coil, the compensation coil and the first additional coil are always flowed through by an exactly same current.
  • the primary coil and the compensation coil can be short-circuited to energize the first additional coil without energizing the primary coil and the compensation coil.
  • this allows a serial arrangement of the primary coil, the compensation coil and the first further coil and still allows a single energization of only the first further coil.
  • the primary coil and the compensation coil may be disconnected instead of being shorted.
  • a resistance component is connected in series with the primary coil, the compensation coil and the first further coil, wherein an electrical resistance of the resistance component corresponds approximately to the internal resistance of the series connection of the primary coil and the compensation coil.
  • the resistance component can be short-circuited.
  • the resistor component can then be connected in the series connection if the primary coil and the compensation coil are removed from the series connection by short-circuiting.
  • the electrical resistance of the series circuit then remains approximately constant, whereby a current flowing through the series circuit remains constant, whereby a temperature change caused by increasing or decreasing current flow is avoided.
  • the latter has a device for measuring an electrical current flowing in the coils.
  • a measurement of the current flowing in the coils allows compensation for a temperature dependence of the current flowing in the coils.
  • An inventive method for operating a metal sensor of the aforementioned type comprises steps for energizing the first further coil without energizing the primary coil and the compensation coil and for measuring a first output voltage of the magnetic field sensor, for energizing the first further coil without the primary coil and the compensation coil energizing and measuring a second output voltage of the magnetic field sensor, for energizing the primary coil, the compensation coil and the first further coil and for measuring a third output voltage of the magnetic field sensor, and for multiplying the third output voltage by a quotient of the first output voltage and the second output voltage to obtain a corrected third output voltage.
  • this method allows an exact elimination of a temperature dependence of the magnetic field sensor of the metal sensor.
  • the method also allows elimination of a temperature dependence of a current flowing through the coils, if an inductance of the coil can be neglected and a short circuit of the primary coil and the compensation coil not to a significant heating of the other coils and thus to a change in the ohmic resistance of these coils leads.
  • the first output voltage is measured at a fixed first temperature, the second output voltage measured at a second temperature, the third output voltage measured at the second temperature.
  • the first output voltage is measured at a fixed first temperature
  • the second output voltage measured at a second temperature in the second step also a first current flowing in the first further coil measured at the second temperature
  • the third output voltage the second temperature is measured, in the third step additionally a second current flowing in the first further coil measured at the second temperature
  • the corrected third output voltage multiplied by a quotient of the first current and the second current to obtain a fourth output voltage.
  • the method in this development also allows a compensation of a temperature dependence of the coil currents in the event that the inductances of the coils can not be neglected.
  • FIG. 1 shows a plan view of an upper side of a circuit carrier of a metal sensor
  • FIG. 2 shows a view of an underside of the circuit carrier
  • FIG. 3 is a view of an underside of a circuit carrier of a metal sensor of an alternative embodiment
  • FIG. 4 is a schematic flow diagram of a method for operating a metal sensor.
  • the metal sensor 100 is used to locate metallic or otherwise magnetizable objects that are hidden in a wall, a floor or in the ground.
  • the magnetizable object may have a distance of, for example, 10 cm or 20 cm from the metal sensor 100.
  • 1 shows a plan view of an upper side 11 of a circuit carrier 110 of the metal sensor 100.
  • the circuit carrier 110 is designed as a flat disc-shaped layer and can be, for example, a printed circuit board.
  • the structures arranged on the upper side 11 1 of the circuit substrate 110 may be printed, for example.
  • a primary coil 200 On the top 1 11 of the circuit substrate 1 10 a primary coil 200, a compensation coil 300 and a first further coil 400 are arranged.
  • the coils 200, 300, 400 are each circular in shape and arranged concentrically to one another.
  • the primary coil 200 has a larger radius than the
  • the compensation coil 300 has a larger radius than the first further coil 400.
  • the number of turns of the coils 200, 300, 400 shown in FIG. 1 are chosen by way of example only.
  • the coils 200, 300, 400 may also have more or less Wnditch as shown in Fig. 1.
  • the coils may also have a different shape (e.g., rectangular) and need not be concentric.
  • the shape and arrangement must ensure that, in an object-free case, the magnetic field of the primary coil, of the compensation coil and of the other coils disappears at the location of the magnetic field sensor and that the magnetic field of the other coils does not disappear at the location of the magnetic field sensor.
  • the primary coil 200 has at its outer end a first contact 210 and at its inner end a second contact 220.
  • the 300 has a first contact 310 at its outer end and a second contact 320 at its inner end.
  • the first further coil 400 has at its outer end a first contact 410 and at its inner end a second contact 420.
  • the second contact 220 of the primary coil 200 is electrically conductively connected to the first contact 310 of the compensation coil 300.
  • the second contact 320 of the compensation coil 300 is electrically conductively connected to the first contact 410 of the first further coil 400.
  • FIG. 2 shows a view of the circuit carrier 110 in which structures of the circuit carrier 110 are arranged on one side of the upper side 11 1 opposite the upper side 11 1.
  • the bottom 1 12 of the circuit substrate 110 has a second further coil 500, which has the same diameter and the same number of turns as the first further coil 400.
  • the underside 112 of the circuit carrier 110 has a first terminal 121, a second terminal 122, a third terminal 123 and a fourth terminal 124.
  • the terminals 121, 122, 123, 124 constitute outwardly accessible terminals of the circuit carrier 110 and may be electrically conductively connected to other components of the metal sensor 100.
  • the underside 112 of the circuit carrier 110 has a fifth terminal 125, a sixth terminal 126, a seventh terminal 127 and an eighth terminal 128.
  • the eighth terminal 128 is electrically connected to an inner end of the second another coil 500.
  • An outer end of the second further coil 500 is electrically connected to the first terminal 121.
  • the circuit carrier 110 also has a first via 131, which electrically connects the second connection 122 to the first contact 210 of the primary coil 200.
  • the first through-connection 131 like all further plated-through holes of the circuit carrier 110, is designed as an electrically conductive through-via (110) running through the circuit carrier 110.
  • a second via 132 electrically connects the fifth terminal 125 to the second contact 220 of the primary coil 200.
  • a third via 133 electrically connects the sixth terminal 126 to the first contact 310 of the compensation coil 300.
  • a fourth via 134 electrically connects the seventh terminal 127 a fifth via 135 connects the eighth terminal 128 electrically conductively connected to the second contact 420 of the first further coil 400.
  • the bottom 112 of the circuit substrate 1 10 further has a first switch
  • the switches 141, 142 may be formed, for example, as field effect transistors.
  • a first contact of the first switch 141 is conductively connected to the second terminal 122.
  • a second contact of the first switch 141 is electrically connected to the fifth terminal 125.
  • a control contact of the first switch 141 is electrically connected to the third terminal 123.
  • the first switch 141 is designed to conductively connect or isolate the second terminal 122 and the fifth terminal 125 in dependence on a control signal applied to the third terminal 123.
  • a first contact of the second switch 142 is electrically conductively connected to the sixth connection 126.
  • a second contact of the second switch 142 is electrically connected to the seventh terminal 127.
  • a control contact of the second switch 142 is electrically connected to the fourth terminal 124.
  • the second switch 142 is designed to electrically connect or isolate the sixth connection 126 and the seventh connection 127 in dependence on a control signal applied to the fourth connection 124.
  • the circuit carrier 110 also has a magnetic field sensor 150, which in the example shown is arranged in the center of the coils 200, 300, 400, 500.
  • the magnetic field sensor 150 may, for example, in a recess or a
  • the magnetic field sensor 150 is preferably designed as a magnetoresistive magnetic field sensor, but may also be another type of magnetic field sensor.
  • the magnetic field sensor 150 is provided to detect a size of a magnetic field prevailing at the location of the magnetic field sensor 150.
  • the magnetic field sensor 150 is designed to output an electrical voltage amplitude which describes the measurement signal of the magnetic field sensor 150 in amplitude and phase.
  • the metal sensor 100 can be operated in two different modes. In this case, an operating voltage is always applied between the first terminal 121 and the second terminal 122. If the switches 141, 142 are open, ie non-conductive, a current flow from the second connection 122 through the first via 131 to the first contact 210 of the primary coil 200, through the primary coil 200 to the second contact 220 of the primary coil 200, continues to the first contact 310 of the compensation coil 300 through the compensation coil
  • Coils 200, 300, 400, 500 flowed through by the same current.
  • the primary coil 200 and the second other coil 500 are flowed clockwise while the compensation coil 300 and the first other coil 400 are flowed counterclockwise.
  • the primary coil 200 and the compensation coil 300 generate antiparallel oriented magnetic fields.
  • the first further coil 400 and the second further coil 500 also generate antiparallel-oriented magnetic fields.
  • Terminal 122 through the first switch 141 to the fifth terminal 125, through the second via 132 to the second contact 220 of the primary coil 200, on to the first contact 310 of the compensation coil 300, through the third via 133 to the sixth terminal 126, via the second switch 142 to seventh port 127, through the fourth via
  • the first further coil 400 is flowed through in a counterclockwise direction, while the second further coil 500 is flowed through in a clockwise direction.
  • the first further coil 400 and the second further coil 500 generate antiparallel oriented magnetic fields.
  • the circuit carrier 110 may have an additional resistance component which can be inserted by means of a switch into the series arrangement of primary coil 200, compensation coil 300, first further coil 400 and second further coil 500.
  • the resistance component has an electrical resistance which approximately corresponds to the internal resistance of the series connection of primary coil 200 and compensation coil 300.
  • the resistor device is inserted into the series circuit to keep constant the total resistance of the series connection. If the switches 141, 142 are opened and the primary coil 200 and the compensation coil 300 are thereby added to the series connection, so the resistance device is removed from the series circuit.
  • a complex impedance can also be used as the resistance component.
  • FIG. 3 shows a view of the underside 12 of the circuit carrier 110 of a metal sensor 1100 according to a further alternative embodiment. Elements of the metal sensor 1100 which correspond to those of the metal sensor 100 of FIGS. 1 and 2 are given the same reference numerals.
  • the circuit carrier 110 of the metal sensor 1100 has an additional ninth terminal 129, which may be connected to other components of the metal sensor 1100.
  • a measuring resistor (shunt) 143 is arranged between the first terminal 121 and the second further coil 500. A voltage drop across the measuring resistor 143 electrical voltage can be measured by means of a voltmeter 144. The measurement result can be read out at the ninth connection 129.
  • the voltmeter 144 may be formed, for example, as a differential amplifier.
  • the measuring resistor 143 and the voltmeter 144 serve to quantify an electric current flowing through the coils 200, 300, 400, 500.
  • the direction of rotation of the first further coil 400 and the second further coil 500 are selected such that antiparallel magnetic fields are generated. Due to the low number of turns of the first further coil 400 and the second further coil 500, the magnetic field excited by the further coils 400, 500 is small in comparison to the magnetic fields generated by the primary coil 200 and the compensation coil 300. Matched Wndungszah- len and diameter of the two other coils lead to the same magnetic field strengths of the magnetic fields generated by the two other coils. The small diameter of the other coils 400, 500 cause a low magnetic field strength at a great distance. The antiparallel alignment of the two magnetic fields of the same strength leads to a cancellation of the dipole moments, so that the far field of the further coils 400, 500 has a quadrupole character in a leading order and thus drops rapidly with increasing distance.
  • the magnetic field sensor 150 is not located exactly in the middle between the first further coil 400 and the second further coil 500.
  • the magnetic fields generated by the further coils 400, 500 complement each other locally of the magnetic field sensor 150 is not exactly zero, but it remains a small residual field.
  • the primary coil 200 and the compensation coil 300 are adapted such that this small residual field is canceled as soon as all coils 200, 300, 400, 500 are energized.
  • the magnetic field sensor 150 measures a zero signal. If the primary coil 200 and the compensation coil 300 are short-circuited by means of the switches 141, 142, the small residual field is again applied to the magnetic field sensor 150.
  • the size of the residual field at the location of the magnetic field sensor 150 is independent of the presence of a magnetizable object in the vicinity of the metal sensor 100.
  • the size of the residual field can be temperature-dependent and therefore to mood and compensation for a temperature dependence of the metal sensor
  • Such a temperature dependence may, for example, result from a temperature dependence of the amplitude of a measurement signal supplied by the magnetic field sensor 150 and from a temperature dependence of the magnetic field generated by the primary coil 200, which in turn may be due to a temperature dependence of the internal resistance of the primary coil 200 and thereby to a temperature dependence of the magnetic field generated by the primary coil 200 Coils 200, 300, 400, 500 flowing electrical current is effected.
  • FIG. 4 shows a schematic flowchart of a method 600 for compensation of a temperature dependence of the metal sensor 100. The method
  • the 600 is applicable if the inductance of the coils 200, 300, 400, 500 can be neglected and the short circuit of the primary coil 200 and compensation coil 300 does not lead to significant self-heating of the further coils 400, 500 and thus to a change in the electrical resistances of the further coils 400, 500 leads.
  • a first method step 610 during a factory calibration of the metal sensor 100, the first further coil 400 and the second further coil 500 are energized without energizing the primary coil 200 and the compensation coil 300.
  • the primary coil 200 and the compensation coil 300 are thus short-circuited by the switches 141, 142.
  • a first output voltage 111 of the magnetic field sensor 150 measured.
  • the measured value 111 is stored, for example, in an evaluation circuit of the metal sensor 100.
  • a second method step 620 the first further coil 400 and the second further coil 500 are energized again during a typical application of the metal sensor 100, without energizing the primary coil 200 and the compensation coil 300. Now, a second output voltage U2 of the magnetic field sensor 150 is measured. Both in the first method step 610 and in the second method step 620, the size of the residual field prevailing at the location of the magnetic field sensor 150 is determined, which may have changed as a result of a temperature dependence between the two measurements.
  • a third method step 630 the primary coil 200, the compensation coil 300, the first further coil 400 and the second further coil 500 are energized.
  • the first switch 141 and the second switch 142 are therefore opened for this purpose.
  • a third output voltage U3 of the magnetic field sensor 150 is measured.
  • the third output voltage U3 is different from zero if a magnetizable object is located in the vicinity of the metal sensor 100.
  • the third output voltage U3 may be corrupted by a temperature dependence of the metal sensor 100.
  • a fourth method step 640 this temperature dependence is eliminated by multiplying the third output voltage U3 by a quotient of the first output voltage U1 and the second output voltage U2 in order to obtain a corrected third output voltage U3 ':
  • the corrected third output voltage U3 ' is released from a temperature dependence under the above assumptions.
  • a temperature dependence of the magnetic field sensor 150 is completely eliminated.
  • inductances of the coils 200, 300, 400, 500 are not negligible and / or the current flowing through the coils 400, 500 is also a temperature dependency, so an additional temperature compensation for the coil currents is necessary. This can be carried out in a development of the method 600, wherein the metal sensor 1100 of FIG. 3 is used.
  • the first output voltage 111 is performed in the first method step 610 during the factory calibration at a fixed first temperature TO.
  • the second output voltage U2 is measured at a second temperature T which is determined by the temperature prevailing at the time of application of the metal sensor 1100.
  • a further current 11 flowing in the further coils 400, 500 is additionally measured at the second temperature T in this development.
  • the measuring resistor 143 and the voltmeter 144 serve.
  • the third output voltage U3 is likewise measured at the second temperature T.
  • a second current 12 flowing in the coils 200, 300, 400, 500 is measured at the second temperature.
  • the corrected third output voltage U3 ' is additionally multiplied by a quotient of the first current 11 and the second current 12 in order to obtain a fourth output voltage U3 ":
  • the fourth output voltage U3 " is also adjusted for a possible temperature dependency of the coil currents, which also applies in the case that the inductances of the coils 200, 300, 400, 500 can not be neglected .. Instead of the first current 11 and the second current 12 In this case, the corrected third output voltage U3 'multiplied by a quotient of the first measurement voltage and the second measurement voltage to obtain the fourth output voltage U3 ". A possible temperature dependence of the measuring resistor 143 is thereby shortened. In a simplified embodiment, the second additional coil 500 can be dispensed with. However, this has the disadvantage that the magnetic field generated by the first further coil 400 then has dipole character in leading order and thus less rapidly decreases with increasing distance from the metal sensor 100, 1100.
  • the further coils 400, 500 could also have additional co-directional turns or additional opposing turns. In this case, the residual field measurable at the location of the magnetic field sensor 150 would be larger or smaller.
  • Additional coils could also be provided in order to cause the magnetic field generated by the further coils in a leading multipole arrangement not to have a quadrupole but, for example, an octupole character. In this case, the distance dependence of the magnetic field generated by the other coils would be even more favorable.
  • the primary coil 200 and the compensation coil 300 could also be disconnected in order to energize only the further coils 400, 500.

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Abstract

Ein Metallsensor weist eine Primärspule, eine Kompensationsspule, eine erste weitere Spule und einen Magnetfeldsensor auf. Dabei kann die erste weitere Spule bestromt werden, ohne die Primärspule und die Kompensationsspule zu bestromen.

Description

Beschreibung
Titel
METALLSENSOR Die Erfindung betrifft einen Metallsensor gemäß Patentanspruch 1 , sowie ein
Verfahren zum Betreiben eines Metallsensors gemäß Patentanspruch 11 .
Stand der Technik Metallsensoren zum Auffinden von metallischen oder anderweitig magnetisierba- ren Objekten in Wänden, Böden oder im Erdreich sind aus dem Stand der Technik bekannt und verwenden Spulen zur Anregung von Magnetfeldern sowie zum Messen von Änderungen des magnetischen Flusses. Objekte werden dadurch erkannt, dass die gemessenen Flussänderungen sich unterscheiden, je nach- dem, ob ein magnetisierbares Objekt vorhanden ist oder nicht. Die gemessene
Flussänderung ist zum Teil direkte Folge des anregenden Magnetfeldes sowie zum Teil die Folge des vom magnetisierbaren Objekt ausgehenden Magnetfeldes. Das vom Objekt ausgehende Magnetfeld ist wiederum in der Regel eine Folge des anregenden Magnetfeldes.
Aus der unveröffentlichten Patentanmeldung mit dem anmelderinternen Aktenzeichen R.335154 ist ein Metallsensor bekannt, der zwei Spulen aufweist, die vorgesehen sind, zwei einander entgegengesetzt orientierte Magnetfelder zu erzeugen, deren Überlagerung am Ort eines Magnetfeldsensors des Metallsensors näherungsweise verschwindet. Dadurch detektiert der Magnetfeldsensor des Metallsensors bei Abwesenheit eines magnetisierbaren Objekts ein Nullsignal, wodurch sich ein günstiges Signal-Rausch-Verhältnis und eine hohe Dynamik ergeben. Das Nullsignal ist außerdem unabhängig von einer Umgebungstemperatur. Bei Anwesenheit eines magnetisierbaren Objekts weicht das Messsignal des Magnetfeldsensors allerdings von einem Nullsignal ab und ist im Allgemeinen nicht temperaturunabhängig. Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, einen verbesserten Metallsensor mit reduzierter oder eliminierter Temperaturabhängigkeit bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch einen Metallsensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Es ist weiter Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben des verbesserten Metallsensors anzugeben. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Ein erfindungsgemäßer Metallsensor umfasst eine Primärspule, eine Kompensationsspule, eine erste weitere Spule und einen Magnetfeldsensor. Dabei kann die erste weitere Spule bestromt werden, ohne die Primärspule und die Kompensationsspule zu bestromen. Vorteilhafterweise kann bei diesem Metallsensor mittels des Magnetfeldsensors die Größe eines nur durch die erste weitere Spule generierten Magnetfelds gemessen werden. Hieraus kann vorteilhafterweise eine Temperaturabhängigkeit des Metallsensors bestimmt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Metallsensors umfasst dieser eine zweite weitere Spule, die bestromt werden kann, ohne die Primärspule und die Kompensationsspule zu bestromen. Dabei ist die zweite weitere Spule vorgesehen, ein Magnetfeld zu erzeugen, das antiparallel zu einem von der ersten weiteren Spule generierbaren Magnetfeld orientiert ist. Zweckmäßig ist das von der zweiten weiteren Spule erzeugte Magnetfeld von der gleichen Stärke wie das von der ersten weiteren Spule erzeugte Magnetfeld. Vorteilhafterweise überlagern sich dann die durch die erste weitere Spule und die zweite weitere Spule erzeugten, antiparallelen, Magnetfelder, wodurch sich ihre Dipolmomente aufheben, was dazu führt, dass das Fernfeld der beiden weiteren Spulen in führender Ordnung Quadrupolcharakter hat. Dadurch fällt die Stärke des durch die weiteren Spulen erzeugten Magnetfelds mit dem Abstand rasch ab, wodurch eine Wechselwirkung dieses Magnetfelds mit eventuell vorhandenen metallischen oder magnetisierbaren Objekten ausgeschlossen ist. In einer Ausführungsform des Metallsensors umfasst dieser einen scheibenförmigen Schaltungsträger. Dabei sind die Primärspule, die Kompensationsspule und die erste weitere Spule auf einer ersten Oberfläche des Schaltungsträgers angeordnet, während die zweite weitere Spule auf einer zweiten Oberfläche des Schaltungsträgers angeordnet ist. Ist der scheibenförmige Schaltungsträger mehrlagig, so können die Spulen auch auf Innenlagen angeordnet sein. Vorteilhaft- erweise kann der Magnetfeldsensor dann so angeordnet werden, dass sich die durch die erste weitere Spule und die zweite weitere Spule erzeugten Magnetfelder am Ort des Magnetfeldsensors nicht vollständig aufheben.
Es ist zweckmäßig, dass ein bei gleichzeitiger Bestromung der Primärspule, der Kompensationsspule, der ersten weiteren Spule und der zweiten weiteren Spule generiertes Magnetfeld am Ort des Magnetfeldsensors verschwindet. Vorteilhafterweise generiert der Magnetfeldsensor dann bei Abwesenheit eines magneti- sierbaren Objekts in der Umgebung des Metallsensors ein Nullsignal, wodurch sich eine Temperaturunabhängigkeit, ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis und ei- ne hohe Dynamik ergeben.
In einer Ausführungsform des Metallsensors sind die Primärspule, die Kompensationsspule und die erste weitere Spule in Reihe geschaltet. Vorteilhafterweise wird dadurch sichergestellt, dass die Primärspule, die Kompensationsspule und die erste weitere Spule stets von einer exakt gleichen Stromstärke durchflössen werden.
In einer Ausführungsform des Metallsensors können die Primärspule und die Kompensationsspule kurzgeschlossen werden, um die erste weitere Spule zu bestromen, ohne die Primärspule und die Kompensationsspule zu bestromen.
Vorteilhafterweise ermöglicht dies eine serielle Anordnung der Primärspule, der Kompensationsspule und der ersten weiteren Spule und erlaubt dennoch eine einzelne Bestromung lediglich der ersten weiteren Spule. In einer alternativen Ausführungsform können die Primärspule und die Kompensationsspule jedoch abgeklemmt werden, anstatt kurzgeschlossen zu werden.
In einer Weiterbildung des Metallsensors ist ein Widerstandsbauteil mit der Primärspule, der Kompensationsspule und der ersten weiteren Spule in Reihe geschaltet, wobei ein elektrischer Wderstand des Wderstandsbauteils etwa dem Innenwiderstand der Reihenschaltung aus Primärspule und Kompensationsspule entspricht. Dabei kann das Widerstandsbauteil kurzgeschlossen werden. Vorteil- hafterweise kann das Widerstandsbauteil dann in der Reihenschaltung zugeschaltet werden, wenn die Primärspule und die Kompensationsspule durch Kurzschließen aus der Reihenschaltung entfernt werden. Vorteilhafterweise bleibt der elektrische Widerstand der Reihenschaltung dann etwa konstant, wodurch auch ein durch die Reihenschaltung fließender Strom konstant bleibt, wodurch eine durch zu- oder abnehmenden Stromfluss verursachte Temperaturänderung vermieden wird.
In einer zusätzlichen Weiterbildung des Metallsensors weist dieser eine Vorrich- tung zur Messung eines in den Spulen fließenden elektrischen Stroms auf. Vorteilhafterweise erlaubt eine Messung des in den Spulen fließenden Stroms eine Kompensation einer Temperaturabhängigkeit des in den Spulen fließenden Stroms.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines Metallsensors der vorgenannten Art umfasst Schritte zum Bestromen der ersten weiteren Spule, ohne die Primärspule und die Kompensationsspule zu bestromen und zum Messen einer ersten Ausgangsspannung des Magnetfeldsensors, zum Bestromen der ersten weiteren Spule, ohne die Primärspule und die Kompensationsspule zu bestromen und zum Messen einer zweiten Ausgangsspannung des Magnetfeldsensors, zum Bestromen der Primärspule, der Kompensationsspule und der ersten weiteren Spule und zum Messen einer dritten Ausgangsspannung des Magnetfeldsensors, sowie zum Multiplizieren der dritten Ausgangsspannung mit einem Quotienten aus der ersten Ausgangsspannung und der zweiten Ausgangsspannung, um eine korrigierte dritte Ausgangsspannung zu erhalten. Vorteilhafterweise gestattet dieses Verfahren eine exakte Elimination einer Temperaturabhängigkeit des Magnetfeldsensors des Metallsensors. Außerdem gestattet das Verfahren auch eine Elimination einer Temperaturabhängigkeit eines durch die Spulen fließenden Stroms, falls eine Induktivität der Spulen vernachlässigt werden kann und ein Kurzschluss der Primärspule und der Kompensationsspule nicht zu einer signifikanten Erwärmung der weiteren Spulen und damit zu einer Änderung der Ohmschen Widerstände dieser Spulen führt.
In einer Weiterbildung des Verfahrens wird die erste Ausgangsspannung bei ei- ner festgelegten ersten Temperatur gemessen, die zweite Ausgangsspannung bei einer zweiten Temperatur gemessen, die dritte Ausgangsspannung bei der zweiten Temperatur gemessen.
In einer Weiterbildung des Verfahrens wird die erste Ausgangsspannung bei ei- ner festgelegten ersten Temperatur gemessen, die zweite Ausgangsspannung bei einer zweiten Temperatur gemessen, im zweiten Schritt außerdem ein in der ersten weiteren Spule fließender erster Strom bei der zweiten Temperatur gemessen, die dritte Ausgangsspannung bei der zweiten Temperatur gemessen, im dritten Schritt zusätzlich ein in der ersten weiteren Spule fließender zweiter Strom bei der zweiten Temperatur gemessen, und die korrigierte dritte Ausgangsspannung mit einem Quotienten aus dem ersten Strom und dem zweiten Strom multipliziert, um eine vierte Ausgangsspannung zu erhalten. Vorteilhafterweise gestattet das Verfahren in dieser Weiterbildung auch eine Kompensation einer Temperaturabhängigkeit der Spulenströme in dem Fall, dass die Induktivitäten der Spulen nicht vernachlässigt werden können.
Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Dabei zeigen: Fig. 1 eine Aufsicht auf eine Oberseite eines Schaltungsträgers eines Metallsensors;
Fig. 2 eine Durchsicht auf eine Unterseite des Schaltungsträgers; Fig. 3 eine Durchsicht auf eine Unterseite eines Schaltungsträgers eines Metallsensors einer alternativen Ausführungsform; und
Fig. 4 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines Metallsensors.
Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt eines Metallsensors 100. Der Metallsensor 100 dient zum Auffinden von metallischen oder anderweitig magnetisierbaren Objekten, die in einer Wand, einem Boden oder im Erdreich verborgen sind. Das mag- netisierbare Objekt kann eine Entfernung von beispielsweise 10 cm oder 20 cm vom Metallsensor 100 aufweisen. Fig. 1 zeigt eine Aufsicht auf eine Oberseite 1 11 eines Schaltungsträgers 1 10 des Metallsensors 100. Der Schaltungsträger 1 10 ist als flache scheibenförmige Lage ausgebildet und kann beispielsweise eine Leiterplatte sein. Die auf der O- berseite 11 1 des Schaltungsträgers 1 10 angeordneten Strukturen können bei- spielsweise aufgedruckt sein.
Auf der Oberseite 1 11 des Schaltungsträgers 1 10 sind eine Primärspule 200, eine Kompensationsspule 300 und eine erste weitere Spule 400 angeordnet. Die Spulen 200, 300, 400 sind jeweils kreisförmig ausgebildet und konzentrisch zu- einander angeordnet. Die Primärspule 200 weist einen größeren Radius als die
Kompensationsspule 300 auf. Die Kompensationsspule 300 weist einen größeren Radius als die erste weitere Spule 400 auf. Die in Fig. 1 dargestellten Windungszahlen der Spulen 200, 300, 400 sind lediglich beispielhaft gewählt. Die Spulen 200, 300, 400 können auch mehr oder weniger Wndungen aufweisen als in Fig. 1 dargestellt.
Die Spulen können auch eine andere Form haben (z.B. rechteckig) und müssen nicht konzentrisch angeordnet sein. Form und Anordnung müssen gewährleisten, dass im objektfreien Fall das Magnetfeld der Primärspule, der Kompensations- spule und der weiteren Spulen am Ort des Magnetfeldsensors verschwindet und dass das Magnetfeld der weiteren Spulen am Ort des Magnetfeldsensors nicht verschwindet,
Die Primärspule 200 weist an ihrem äußeren Ende einen ersten Kontakt 210 und an ihrem inneren Ende einen zweiten Kontakt 220 auf. Die Kompensationsspule
300 weist an ihrem äußeren Ende einen ersten Kontakt 310 und an ihrem inneren Ende einen zweiten Kontakt 320 auf. Die erste weitere Spule 400 weist an ihrem äußeren Ende einen ersten Kontakt 410 und an ihrem inneren Ende einen zweiten Kontakt 420 auf. Der zweite Kontakt 220 der Primärspule 200 ist elekt- risch leitend mit dem ersten Kontakt 310 der Kompensationsspule 300 verbunden. Der zweite Kontakt 320 der Kompensationsspule 300 ist elektrisch leitend mit dem ersten Kontakt 410 der ersten weiteren Spule 400 verbunden.
Fig. 2 zeigt eine Durchsicht des Schaltungsträgers 1 10, in der auf einer der O- berseite 11 1 gegenüberliegenden Unterseite 1 12 angeordnete Strukturen des Schaltungsträgers 1 10 sichtbar sind. Die Unterseite 1 12 des Schaltungsträgers 110 weist eine zweite weitere Spule 500 auf, die den gleichen Durchmesser und die gleiche Windungszahl wie die erste weitere Spule 400 aufweist. Ferner weist die Unterseite 112 des Schal- tungsträgers 110 einen ersten Anschluss 121 , einen zweiten Anschluss 122, einen dritten Anschluss 123 und einen vierten Anschluss 124 auf. Die Anschlüsse 121 , 122, 123, 124 stellen nach außen zugängliche Anschlüsse des Schaltungsträgers 110 dar und können elektrisch leitend mit anderen Komponenten des Metallsensors 100 verbunden sein. Ferner weist die Unterseite 112 des Schaltungs- trägers 110 einen fünften Anschluss 125, einen sechsten Anschluss 126, einen siebten Anschluss 127 und einen achten Anschluss 128 auf. Der achte Anschluss 128 ist elektrisch leitend mit einem inneren Ende der zweiten weiteren Spule 500 verbunden. Ein äußeres Ende der zweiten weiteren Spule 500 ist elektrisch leitend mit dem ersten Anschluss 121 verbunden.
Der Schaltungsträger 110 weist außerdem eine erste Durchkontaktierung 131 auf, die den zweiten Anschluss 122 elektrisch leitend mit dem ersten Kontakt 210 der Primärspule 200 verbindet. Die erste Durchkontaktierung 131 ist, wie alle weiteren Durchkontaktierungen des Schaltungsträgers 1 10, als elektrisch leiten- de, durch den Schaltungsträger 110 verlaufende Durchkontaktierung (Via) ausgebildet. Eine zweite Durchkontaktierung 132 verbindet den fünften Anschluss 125 elektrisch leitend mit dem zweiten Kontakt 220 der Primärspule 200. Eine dritte Durchkontaktierung 133 verbindet den sechsten Anschluss 126 elektrisch leitend mit dem ersten Kontakt 310 der Kompensationsspule 300. Eine vierte Durchkontaktierung 134 verbindet den siebten Anschluss 127 elektrisch leitend mit dem zweiten Kontakt 320 der Kompensationsspule 300. Eine fünfte Durchkontaktierung 135 verbindet den achten Anschluss 128 elektrisch leitend mit dem zweiten Kontakt 420 der ersten weiteren Spule 400. Die Unterseite 112 des Schaltungsträgers 1 10 weist weiter einen ersten Schalter
141 und einen zweiten Schalter 142 auf. Die Schalter 141 , 142 können beispielsweise als Feldeffekttransistoren ausgebildet sein. Ein erster Kontakt des ersten Schalters 141 ist leitend mit dem zweiten Anschluss 122 verbunden. Ein zweiter Kontakt des ersten Schalters 141 ist elektrisch leitend mit dem fünften Anschluss 125 verbunden. Ein Steuerkontakt des ersten Schalters 141 ist elektrisch leitend mit dem dritten Anschluss 123 verbunden. Der erste Schalter 141 ist ausgebildet, den zweiten Anschluss 122 und den fünften Anschluss 125 in Abhängigkeit eines am dritten Anschluss 123 anliegenden Steuersignals leitend miteinander zu verbinden oder voneinander zu isolieren. Ein erster Kontakt des zweiten Schalters 142 ist elektrisch leitend mit dem sechsten Anschluss 126 ver- bunden. Ein zweiter Kontakt des zweiten Schalters 142 ist elektrisch leitend mit dem siebten Anschluss 127 verbunden. Ein Steuerkontakt des zweiten Schalters 142 ist elektrisch leitend mit dem vierten Anschluss 124 verbunden. Der zweite Schalter 142 ist ausgebildet, den sechsten Anschluss 126 und den siebten Anschluss 127 in Abhängigkeit eines am vierten Anschluss 124 anliegenden Steu- ersignals elektrisch leitend miteinander zu verbinden oder voneinander zu isolieren.
Der Schaltungsträger 110 weist ferner einen Magnetfeldsensor 150 auf, der im dargestellten Beispiel im Zentrum der Spulen 200, 300, 400, 500 angeordnet ist. Der Magnetfeldsensor 150 kann beispielsweise in einer Aussparung oder einem
Durchbruch des Schaltungsträgers 110 angeordnet sein. Der Magnetfeldsensor 150 ist bevorzugt als magnetoresistiver Magnetfeldsensor ausgebildet, kann jedoch auch eine andere Art von Magnetfeldsensor sein. Der Magnetfeldsensor 150 ist dazu vorgesehen, eine Größe eines am Ort des Magnetfeldsensors 150 herrschenden Magnetfelds zu detektieren. Der Magnetfeldsensor 150 ist ausgebildet, eine elektrische Spannungsamplitude auszugeben, die das Messsignal des Magnetfeldsensors 150 in Amplitude und Phase beschreibt.
Der Metallsensor 100 kann in zwei unterschiedlichen Modi betrieben werden. Dabei wird stets eine Betriebsspannung zwischen dem ersten Anschluss 121 und dem zweiten Anschluss 122 angelegt. Sind die Schalter 141 , 142 geöffnet, also nichtleitend, so findet ein Stromfluss vom zweiten Anschluss 122 durch die erste Durchkontaktierung 131 zum ersten Kontakt 210 der Primärspule 200, durch die Primärspule 200 zum zweiten Kontakt 220 der Primärspule 200, weiter zum ers- ten Kontakt 310 der Kompensationsspule 300 durch die Kompensationsspule
300 zum zweiten Kontakt 320 der Kompensationsspule 300, weiter zum ersten Kontakt 410 der ersten weiteren Spule 400, durch die erste weitere Spule 400 zum zweiten Kontakt 420 der ersten weiteren Spule 400, durch die fünfte Durchkontaktierung 135 zum achten Anschluss 128, weiter durch die zweite weitere Spule 500 und schließlich zum ersten Anschluss 121 statt. Dabei werden alle
Spulen 200, 300, 400, 500 von der gleichen Stromstärke durchflössen. Im darge- stellten Beispiel werden die Primärspule 200 und die zweite weitere Spule 500 im Uhrzeigersinn durchflössen, während die Kompensationsspule 300 und die erste weitere Spule 400 gegen den Uhrzeigersinn durchflössen werden. Somit erzeugen die Primärspule 200 und die Kompensationsspule 300 antiparallel orientierte Magnetfelder. Entsprechend erzeugen auch die erste weitere Spule 400 und die zweite weitere Spule 500 antiparallel orientierte Magnetfelder.
Sind die Schalter 141 , 142 geschlossen, also elektrisch leitend, so werden die Primärspule 200 und die Kompensationsspule 300 elektrisch kurzgeschlossen und dadurch überbrückt. Elektrischer Strom fließt dann ausgehend vom zweiten
Anschluss 122 durch den ersten Schalter 141 zum fünften Anschluss 125, durch die zweite Durchkontaktierung 132 zum zweiten Kontakt 220 der Primärspule 200, weiter zum ersten Kontakt 310 der Kompensationsspule 300, durch die dritte Durchkontaktierung 133 zum sechsten Anschluss 126, über den zweiten Schalter 142 zum siebten Anschluss 127, durch die vierte Durchkontaktierung
134 zum zweiten Kontakt 320 der Kompensationsspule 300, weiter zum ersten Kontakt 410 der ersten weiteren Spule 400, durch die erste weitere Spule 400 zum zweiten Kontakt 420 der ersten weiteren Spule 400, durch die fünfte Durchkontaktierung 135 zum achten Anschluss 128, durch die zweite weitere Spule 500 und schließlich zum ersten Anschluss 121. Dabei wird die erste weitere Spule 400 gegen den Uhrzeigersinn durchflössen, während die zweite weitere Spule 500 im Uhrzeigersinn durchflössen wird. Somit erzeugen die erste weitere Spule 400 und die zweite weitere Spule 500 antiparallel orientierte Magnetfelder. In einer nicht dargestellten alternativen Ausführungsform des Metallsensors 100 kann der Schaltungsträger 110 ein zusätzliches Widerstandsbauteil aufweisen, das mittels eines Schalters in die Reihenschaltung aus Primärspule 200, Kompensationsspule 300, erster weiterer Spule 400 und zweiter weiterer Spule 500 eingefügt werden kann. Das Widerstandsbauteil weist dabei einen elektrischen Widerstand auf, der etwa dem Innenwiderstand der Reihenschaltung aus Primärspule 200 und Kompensationsspule 300 entspricht. Werden die Primärspule 200 und die Kompensationsspule 300, wie beschrieben, durch Schließen der Schalter 141 , 142 aus der Reihenschaltung entfernt, so wird das Wderstandsbauelement in die Reihenschaltung eingefügt, um den Gesamtwiderstand der Reihenschal- tung konstant zu halten. Werden die Schalter 141 , 142 geöffnet und die Primärspule 200 und die Kompensationsspule 300 damit der Reihenschaltung zugefügt, so wird das Widerstandsbauelement aus der Reihenschaltung entfernt. Anstelle eines einfachen Ohmschen Widerstands kann auch eine komplexe Impedanz als Widerstandsbauteil verwendet werden.
Fig. 3 zeigt in einer Durchsicht die Unterseite 1 12 des Schaltungsträgers 110 eines Metallsensors 1100 gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform. E- lemente des Metallsensors 1100, die denen des Metallsensors 100 der Figuren 1 und 2 entsprechen, sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Der Schaltungsträger 110 des Metallsensors 1100 weist einen zusätzlichen neunten An- schluss 129 auf, der mit anderen Komponenten des Metallsensors 1 100 verbunden sein kann. Außerdem ist zwischen dem ersten Anschluss 121 und der zweiten weiteren Spule 500 ein Messwiderstand (Shunt) 143 angeordnet. Eine über den Messwiderstand 143 abfallende elektrische Spannung kann mittels eines Spannungsmessers 144 gemessen werden. Das Messergebnis kann am neunten Anschluss 129 ausgelesen werden. Der Spannungsmesser 144 kann beispielsweise als Differenzverstärker ausgebildet sein. Der Messwiderstand 143 und der Spannungsmesser 144 dienen dazu, einen durch die Spulen 200, 300, 400, 500 fließenden elektrischen Strom zu quantifizieren.
Die Wcklungsrichtungen der ersten weiteren Spule 400 und der zweiten weiteren Spule 500 sind so gewählt, dass antiparallele Magnetfelder erzeugt werden. Aufgrund der geringen Windungszahlen der ersten weiteren Spule 400 und der zweiten weiteren Spule 500 ist das von den weiteren Spulen 400, 500 angeregte Magnetfeld klein im Vergleich zu den durch Primärspule 200 und Kompensationsspule 300 erzeugten Magnetfeldern. Aufeinander abgestimmte Wndungszah- len und Durchmesser der beiden weiteren Spulen führen zu gleichen Magnetfeldstärken der durch die beiden weiteren Spulen erzeugten Magnetfelder. Die kleinen Durchmesser der weiteren Spulen 400, 500 bedingen eine geringe Magnetfeldstärke in großer Entfernung. Die antiparallele Ausrichtung der beiden Magnetfelder gleicher Stärke führt zu einer Aufhebung der Dipolmomente, so dass das Fernfeld der weiteren Spulen 400, 500 in führender Ordnung Quadru- polcharakter hat und somit mit steigendem Abstand schnell abfällt.
Der Magnetfeldsensor 150 ist nicht genau in der Mitte zwischen der ersten weiteren Spule 400 und der zweiten weitere Spule 500 angeordnet. Somit ergänzen sich die durch die weiteren Spulen 400, 500 generierten Magnetfelder am Ort des Magnetfeldsensors 150 nicht genau zu null, sondern es verbleibt ein kleines Restfeld. Die Primärspule 200 und die Kompensationsspule 300 sind derart an- gepasst, dass dieses kleine Restfeld aufgehoben wird, sobald alle Spulen 200, 300, 400, 500 bestromt werden. Bei Abwesenheit eines magnetisierbaren Ob- jekts in der Umgebung des Metallsensors 100 misst der Magnetfeldsensor 150 dann ein Nullsignal. Werden die Primärspule 200 und die Kompensationsspule 300 mittels der Schalter 141 , 142 kurzgeschlossen, so liegt das kleine Restfeld wieder am Magnetfeldsensor 150 an. Wegen des raschen Abklingens des durch die weiteren Spulen 400, 500 erzeugten Magnetfelds mit dem Abstand vom Metallsensor 100 ist die Größe des Restfeldes am Ort des Magnetfeldsensors 150 unabhängig von der Anwesenheit eines magnetisierbaren Objekts in der Umgebung des Metallsensors 100. Die Größe des Restfelds kann allerdings temperaturabhängig sein und daher zur Be- Stimmung und Kompensation einer Temperaturabhängigkeit des Metallsensors
100 dienen. Eine solche Temperaturabhängigkeit kann sich beispielsweise aus einer Temperaturabhängigkeit der Amplitude eines vom Magnetfeldsensor 150 gelieferten Messsignals und von einer Temperaturabhängigkeit des durch die Primärspule 200 erzeugten Magnetfelds ergeben, die wiederum durch eine Tem- peraturabhängigkeit des Innenwiderstands der Primärspule 200 und dadurch durch eine Temperaturabhängigkeit des durch die Spulen 200, 300, 400, 500 fließenden elektrischen Stroms bewirkt wird.
Fig. 4 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens 600 zur Kom- pensation einer Temperaturabhängigkeit des Metallsensors 100. Das Verfahren
600 ist anwendbar, falls die Induktivität der Spulen 200, 300, 400, 500 vernachlässigt werden kann und der Kurzschluss von Primärspule 200 und Kompensationsspule 300 nicht zu einer signifikanten Eigenerwärmung der weiteren Spulen 400, 500 und damit zu einer Änderung der elektrischen Widerstände der weiteren Spulen 400, 500 führt.
In einem ersten Verfahrensschritt 610 werden während einer Werkskalibrierung des Metallsensors 100 die erste weitere Spule 400 und die zweite weitere Spule 500 bestromt, ohne die Primärspule 200 und die Kompensationsspule 300 zu bestromen. Die Primärspule 200 und die Kompensationsspule 300 werden also durch die Schalter 141 , 142 kurzgeschlossen. Anschließend wird eine erste Aus- gangsspannung 111 des Magnetfeldsensors 150 gemessen. Der gemessene Wert 111 wird beispielsweise in einer Auswertschaltung des Metallsensors 100 hinterlegt.
In einem zweiten Verfahrensschritt 620 werden während einer gewöhnlichen Anwendung des Metallsensors 100 erneut die erste weitere Spule 400 und die zweite weitere Spule 500 bestromt, ohne die Primärspule 200 und die Kompensationsspule 300 zu bestromen. Nun wird eine zweite Ausgangsspannung U2 des Magnetfeldsensors 150 gemessen. Sowohl im ersten Verfahrensschritt 610 als auch im zweiten Verfahrensschritt 620 wird also die Größe des am Ort des Magnetfeldsensors 150 herrschenden Restfeldes bestimmt, die sich durch eine Temperaturabhängigkeit zwischen den beiden Messungen geändert haben kann.
In einem dritten Verfahrensschritt 630 werden die Primärspule 200, die Kompensationsspule 300, die erste weitere Spule 400 und die zweite weitere Spule 500 bestromt. Der erste Schalter 141 und der zweite Schalter 142 werden hierzu also geöffnet. Nun wird eine dritte Ausgangsspannung U3 des Magnetfeldsensors 150 gemessen. Die dritte Ausgangsspannung U3 ist von Null verschieden, falls sich in der Umgebung des Metallsensors 100 ein magnetisierbares Objekt befindet. Die dritte Ausgangsspannung U3 kann jedoch durch eine Temperaturabhängigkeit des Metallsensors 100 verfälscht sein.
In einem vierten Verfahrensschritt 640 wird diese Temperaturabhängigkeit herausgerechnet, indem die dritte Ausgangsspannung U3 mit einem Quotienten aus der ersten Ausgangsspannung U1 und der zweiten Ausgangsspannung U2 multipliziert wird, um eine korrigierte dritte Ausgangsspannung U3' zu erhalten:
U3'=—U3 .
U2
Die korrigierte dritte Ausgangsspannung U3' ist unter den oben genannten Annahmen von einer Temperaturabhängigkeit befreit. Insbesondere ist eine Temperaturabhängigkeit des Magnetfeldsensors 150 vollständig eliminiert.
Falls die Induktivitäten der Spulen 200, 300, 400, 500 nicht vernachlässigbar sind und/oder auch der durch die Spulen 400, 500 fließende Strom einer Temperatur- abhängigkeit unterliegt, so ist eine zusätzliche Temperaturkompensation für die Spulenströme notwendig. Diese kann in einer Weiterbildung des Verfahrens 600 durchgeführt werden, wobei der Metallsensor 1100 der Fig. 3 eingesetzt wird.
In dieser Weiterbildung des Verfahrens wird die erste Ausgangsspannung 111 im ersten Verfahrensschritt 610 während der Werkskalibrierung bei einer festgelegten ersten Temperatur TO durchgeführt. Im zweiten Verfahrensschritt 620 wird die zweite Ausgangsspannung U2 bei einer zweiten Temperatur T gemessen, die durch die zum Anwendungszeitpunkt des Metallsensors 1 100 herrschende Temperatur festgelegt ist. Im zweiten Verfahrensschritt 620 wird in dieser Weiterbildung zusätzlich ein in den weiteren Spulen 400, 500 fließender erster Strom 11 bei der zweiten Temperatur T gemessen. Hierzu können beispielsweise der Messwiderstand 143 und der Spannungsmesser 144 dienen. Im dritten Verfahrensschritt 630 wird die dritte Ausgangsspannung U3 ebenfalls bei der zweiten Temperatur T gemessen. Außerdem wird im dritten Verfahrensschritt 630 ein in den Spulen 200, 300, 400, 500 fließender zweiter Strom 12 bei der zweiten Temperatur gemessen.
Im vierten Verfahrensschritt 640 wird die korrigierte dritte Ausgangsspannung U3' zusätzlich mit einem Quotienten aus dem ersten Strom 11 und dem zweiten Strom 12 multipliziert, um eine vierte Ausgangsspannung U3" zu erhalten:
U3"=—U3'=—U3—.
12 U2 12
Die vierte Ausgangsspannung U3" ist auch um eine eventuelle Temperaturabhängigkeit der Spulenströme bereinigt, was auch im Fall, dass die Induktivitäten der Spulen 200, 300, 400, 500 nicht vernachlässigt werden kann, gilt. Anstelle des ersten Stroms 11 und des zweiten Stroms 12 können auch am Messwiderstand 143 abfallende Spannungen gemessen werden. In diesem Fall wird die korrigierte dritte Ausgangsspannung U3' mit einem Quotienten aus der ersten Messspannung und der zweiten Messspannung multipliziert, um die vierte Ausgangsspannung U3" zu erhalten. Eine eventuelle Temperaturabhängigkeit des Messwiderstands 143 kürzt sich dabei heraus. In einer vereinfachten Ausführungsform kann die zweite weitere Spule 500 entfallen. Dies hat allerdings den Nachteil, dass das durch die erste weitere Spule 400 erzeugte Magnetfeld dann in führender Ordnung Dipolcharakter aufweist und somit weniger rasch mit zunehmendem Abstand vom Metallsensor 100, 1 100 abfällt.
Die weiteren Spulen 400, 500 könnten auch zusätzliche gleichsinnige Windungen oder zusätzliche gegensinnige Windungen aufweisen. In diesem Fall wäre das am Ort des Magnetfeldsensors 150 messbare Restfeld größer oder kleiner.
Es könnten auch zusätzliche weitere Spulen vorgesehen sein, um zu bewirken, dass das durch die weiteren Spulen erzeugte Magnetfeld in führender Multipol- ordnung nicht Quadrupol-, sondern beispielsweise Oktupolcharakter aufweist. In diesem Fall wäre die Abstandsabhängigkeit des durch die weiteren Spulen generierten Magnetfelds noch günstiger.
Es wäre auch möglich, die weiteren Spulen 400, 500 abzuschalten, wenn die Primärspule 200 und die Kompensationsspule 300 in Betrieb sind. Dies hätte allerdings den Nachteil, dass sich die weiteren Spulen 400, 500 nicht konstant erwärmen, was eine Verfälschung des Ergebnisses bewirken könnte.
Anstatt die Primärspule 200 und die Kompensationsspule 300 mittels der Schalter 141 , 142 kurzzuschließen, könnten die Primärspule 200 und die Kompensationsspule 300 auch abgeklemmt werden, um lediglich die weiteren Spulen 400, 500 zu bestromen.

Claims

Ansprüche
1. Metallsensor (100, 1100),
mit einer Primärspule (200), einer Kompensationsspule (300), einer ersten weiteren Spule (400) und einem Magnetfeldsensor (150),
wobei die erste weitere Spule (400) bestromt werden kann, ohne die Primärspule (200) und die Kompensationsspule (300) zu bestromen.
2. Metallsensor (100, 1100) gemäß Anspruch 1 ,
wobei der Metallsensor (100, 1100) eine zweite weitere Spule (500) umfasst, wobei die zweite weitere Spule (500) bestromt werden kann, ohne die Primärspule (200) und die Kompensationsspule (300) zu bestromen, wobei die zweite weitere Spule (500) vorgesehen ist, ein Magnetfeld zu erzeugen, das antiparallel zu einem von der ersten weiteren Spule (400) generierbaren Magnetfeld orientiert ist.
3. Metallsensor (100, 1100) gemäß Anspruch 2,
wobei der Metallsensor (100, 1100) einen scheibenförmigen Schaltungsträger (1 10) umfasst,
wobei die Primärspule (200), die Kompensationsspule (300) und die erste weitere Spule (400) auf einer ersten Oberfläche (1 11) des Schaltungsträgers
(110) angeordnet sind,
wobei die zweite weitere Spule (500) auf einer zweiten Oberfläche (112) des Schaltungsträgers (1 10) angeordnet ist.
4. Metallsensor (100, 1 100) gemäß Anspruch 2,
wobei der Metallsensor (100, 1100) einen mehrlagigen scheibenförmigen Schaltungsträger (110) umfasst,
wobei die Primärspule (200), die Kompensationsspule (300) und die erste weitere Spule (400) auf einer ersten Oberfläche oder Innenlage (1 11) des Schaltungsträgers (1 10) angeordnet sind, wobei die zweite weitere Spule (500) auf einer zweiten Oberfläche oder Innenlage (1 12) des Schaltungsträgers (110) angeordnet ist.
Metallsensor (100, 1100) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4,
wobei ein bei gleichzeitiger Bestromung der Primärspule (200) und der Kompensationsspule (300) generiertes Magnetfeld am Ort des Magnetfeldsensors (150) verschwindet.
Metallsensor (100, 1100) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5,
wobei ein bei gleichzeitiger Bestromung der Primärspule (200), der Kompensationsspule (300), der ersten weiteren Spule (400) und der zweiten weiteren Spule (500) generiertes Magnetfeld am Ort des Magnetfeldsensors (150) verschwindet.
Metallsensor (100, 1100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Primärspule (200), die Kompensationsspule (300) und die erste weitere Spule (400) in Reihe geschaltet sind.
Metallsensor (100, 1100) gemäß Anspruch 7,
wobei die Primärspule (200) und die Kompensationsspule (300) kurzgeschlossen werden können, um die erste weitere Spule (400) zu bestromen, ohne die Primärspule (200) und die Kompensationsspule (300) zu bestromen.
Metallsensor (100, 1100) gemäß Anspruch 8,
wobei ein Widerstandsbauteil mit der Primärspule (200), der Kompensationsspule (300) und der ersten weiteren Spule (400) in Reihe geschaltet ist, wobei ein elektrischer Widerstand des Widerstandsbauteils etwa dem Innenwiderstand der Reihenschaltung aus Primärspule (200) und Kompensationsspule (300) entspricht,
wobei das Widerstandsbauteil kurzgeschlossen werden kann.
0. Metallsensor (1100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei der Metallsensor (1100) eine Vorrichtung (143, 144) zur Messung eines in den Spulen (200, 300, 400, 500) fließenden elektrischen Stroms aufweist.
1. Verfahren (600) zum Betreiben eines Metallsensors (100, 1 100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei das Verfahren (600) die folgenden Schritte aufweist:
a) Bestromen der ersten weiteren Spule (400), ohne die Primärspule (200) und die Kompensationsspule (300) zu bestromen, und Messen einer ersten Ausgangsspannung (111 ) des Magnetfeldsensors (150);
b) Bestromen der ersten weiteren Spule (400), ohne die Primärspule (200) und die Kompensationsspule (300) zu bestromen, und Messen einer zweiten Ausgangsspannung (U2) des Magnetfeldsensors (150);
c) Bestromen der Primärspule (200), der Kompensationsspule (300) und der ersten weiteren Spule (400) und Messen einer dritten Ausgangsspannung (U3) des Magnetfeldsensors (150);
d) Multiplizieren der dritten Ausgangsspannung (U3) mit einem Quotienten aus der ersten Ausgangsspannung (U1 ) und der zweiten Ausgangsspannung (U2), um eine korrigierte dritte Ausgangsspannung (U3') zu erhalten.
2. Verfahren (600) gemäß Anspruch 11 ,
wobei die erste Ausgangsspannung (U1 ) bei einer festgelegten ersten Temperatur (TO) gemessen wird,
wobei die zweite Ausgangsspannung (U2) bei einer zweiten Temperatur (T) gemessen wird,
wobei in Schritt b) zusätzlich ein in der ersten weiteren Spule fließender erster Strom (11 ) bei der zweiten Temperatur (T) gemessen wird,
wobei die dritte Ausgangsspannung (U3) bei der zweiten Temperatur (T) gemessen wird,
wobei in Schritt c) zusätzlich ein in der ersten weiteren Spule fließender zweiter Strom (12) bei der zweiten Temperatur (T) gemessen wird,
- wobei die korrigierte dritte Ausgangsspannung (U3') mit einem Quotienten aus dem ersten Strom (11 ) und dem zweiten Strom (12) multipliziert wird, um eine vierte Ausgangsspannung (U3") zu erhalten.
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