CN102955173B

CN102955173B - 金属检测装置

Info

Publication number: CN102955173B
Application number: CN201210300915.5A
Authority: CN
Inventors: D·G·莱昂
Original assignee: Mettler Toledo Safeline Ltd
Current assignee: Mettler Toledo Safeline Ltd
Priority date: 2011-08-24
Filing date: 2012-08-22
Publication date: 2016-12-21
Anticipated expiration: 2032-08-22
Also published as: JP2013044749A; US8841903B2; JP5952677B2; EP2562565A1; CN102955173A; BR102012021186B1; BR102012021186A2; EP2562565B1; US20130049745A1; CA2784187A1; CA2784187C

Abstract

金属检测装置包括发射器单元，发射器单元将发射器信号提供到发射器线圈，发射器线圈耦合到接收器线圈，接收器线圈连接到接收器单元的输入端，发射器单元包括频率发生器，频率发生器将工作频率提供到功率放大器级的输入端，功率放大器级的输出端通过变压器连接到发射器线圈。根据本发明，功率放大器级的输出端连接到第一抽头，并且发射器线圈连接到变压器的同一变压器绕组的第二抽头，其中发射器线圈被并联连接到调谐电容器，因此形成被调谐到工作频率的谐振电路，并且其中，对变压器绕组的绕组线圈与发射器线圈的绕组线圈的比值进行选择，使得变压器绕组的电感高于发射器线圈的电感至少十倍。

Description

金属检测装置

技术领域

本发明涉及一种使用一个或多个工作频率的金属检测装置。

背景技术

金属检测装置被用于检测食用商品和其它产品中的金属污染。如在WO02/25318中所记载的，现代的金属装置使用包含“平衡线圈***”的探测头，该探测头能够检测诸如生鲜产品和冷冻产品之类的各种各样的产品中的所有的金属污染类型(包括铁的、非铁的和不锈钢的)。

根据“平衡线圈”原理工作的金属检测装置典型地包括三个缠绕到非金属框架上的线圈，每个线圈与其它线圈完全平行。位于中心的发射器线圈被供给产生磁场的高频电流。在发射器线圈每侧的两个线圈作为接收器线圈。由于两个接收器线圈是相同的并且被安装在离发射器线圈相同的距离，所以它们每个都感应到相同的电压。为了接收当***平衡时为零的输出信号，第一接收器线圈与具有相反线圈感应的第二接收器线圈串联连接。因此，在不存在金属污染而***处于平衡的情况下，接收器线圈中感应的具有相同振幅和相反极性的电压相互抵消。

当金属颗粒穿过线圈设备时，高频场首先在一个接收器线圈附近被干扰，并且接着在另一个接收器线圈附近被干扰。当金属颗粒被传送通过接收器线圈时，每个接收器线圈中感应的电压典型地在纳伏的范围中变化。接收器线圈的输出端的信号中的平衡结果中的该变化可以被处理、放大并且随后被用于检测产品中金属污染的存在。

信号处理通道将接收到的信号分为两个彼此分离90°的独立分量。合成矢量具有幅值和相位角，其对于被传送通过线圈的产品和污染物来说是典型的。为了识别金属污染物，需要除去或减小“产品功效”。如果产品的相位是已知的，那么可以减小对应的信号矢量。因此，从信号频谱消除不希望的信号因此带来了针对源自污染物的信号的高敏感度。

因此，用于从信号频谱消除不希望的信号的方法利用了以下事实：污染物、产品和其他干扰对磁场具有不同的影响，从而得到的信号的相位不同。

根据测量目标的导电率和导磁率，当各种金属或产品穿过金属检测装置的线圈时，由各种金属或产品产生的信号可以被分为两个分量，即电阻分量和电抗分量。由铁氧体(ferrite)引起的信号主要是电抗性的，而来自不锈钢的信号主要是电阻性的。导电性产品典型地引起具有强电阻分量的信号。

通过相位检测器在不同来源的信号分量的相位之间区分能够获得关于产品和污染物的信息。相位检测器(例如混频器或模拟乘法器电路)产生表示信号输入(例如来自接收器线圈的信号)与由发射器单元提供至接收器单元的基准信号之间的相位差的电压信号。因此，通过选择基准信号的相位以便与产品信号分量的相位相一致，从而在相位检测器输出端处获得为零的相位差和对应的产品信号。如果源自污染物的信号分量的相位不同于产品信号分量的相位，那么能够检测到污染物的信号分量。然而，如果污染物的信号分量的相位接近于产品信号分量的相位，那么污染物检测失败，因为污染物的信号分量与产品信号分量在一起被抑制。

因此在已知***中，发射器的频率是可选择的，如此以致金属污染物的信号分量的相位与产品信号分量的相位异相。

GB2423366A公开了一种金属检测装置，其被设计为在至少两个不同工作频率之间切换，以致产品中的任何金属颗粒将受到不同频率的扫描。工作频率快速变化以致于在传送带上穿过的任何金属颗粒将被以两种或多种不同频率扫描。如果针对第一工作频率，由金属颗粒引起的信号分量接近于产品的信号分量的相位并且因此被掩饰，则假设针对第二频率，由金属颗粒引起的信号分量的相位将不同于产品的信号分量的相位，从而这些信号分量能够被区分。通过在许多频率之间切换，期望一种频率能提供对于任意金属类型、尺寸和方向而言适当的敏感度。

GB2423366A中公开的发射器的驱动电路包括电可编程逻辑器件和连接到四个场效应晶体管的驱动器，该四个场效应晶体管形成了具有跨接的发射器线圈的全波桥式电路。

JP2007278719A公开了另一种金属检测装置，其被设计为在至少两个不同工作频率之间切换，以便改善金属检测灵敏度。该装置包括具有放大器的发射器，该放大器的输出端连接到变压器的初级绕组，该变压器具有连接到发射器线圈的第一次级绕组和连接到调谐电容器的第二次级绕组，可通过控制开关接通或断开该调谐电容器。

灵敏度不仅仅取决于所选的频率。重要的是装置的正确校准(如US20110074401A1所述)以及接收和信号处理单元的优化性能。

在JP2007278719A中描述了利用连接到变压器的电容器的电容调节可能变得复杂，从而导致将不允许达到最佳灵敏度的限制。另外，变压器中的损耗对由电容器和变压器线圈形成的谐振电路有负面影响。

对于GB2423366A，重要的是注意，所应用的切换技术提供了灵活性，但是可能对发射器信号的质量有负面影响。由于快速信号断开直接连接到发射器线圈的晶体管，扰动可能特别出现在工作频率的较大范围中。

因此本发明是基于以下目的：创造一种改进的使用一种或多种工作频率的金属检测装置。

特别地，本发明是基于以下目的：创造一种以改进的信号灵敏度工作的金属检测装置。

更特别地，本发明是基于以下目的：提供一种具有发射器的金属检测装置，该发射器允许具有高信号质量的驱动信号的有效产生并且将具有高信号质量的驱动信号传送到发射器线圈。

发明内容

本发明的上述和其它目的由权利要求1限定的金属检测装置来实现。

以一种或多种频率工作的该金属检测装置包括发射器单元，该发射器单元将发射器信号提供给耦合到接收器线圈的发射器线圈，该接收器线圈连接到接收器单元的输入端。该发射器单元包括频率发生器，该频率发生器将工作频率提供到功率放大器的输入端，该功率放大器的输出端经由变压器连接到该发射器线圈。

根据本发明，功率放大器的输出端连接到第一抽头，而该发射器线圈连接到该变压器的同一变压器绕组的第二抽头，该变压器在第一抽头和公共电势之间具有数量为n的绕组线圈，以及在第二抽头和公共电势之间具有数量为n+m的绕组线圈。发射器线圈包括数量为q的绕组线圈，并且被并联连接到调谐电容器，因此形成被调谐到工作频率的谐振电路。对变压器绕组的绕组线圈与发射器线圈的绕组线圈的比值(n+m)/q进行选择，使得变压器绕组的电感比发射器线圈的电感高至少十倍。

利用该布置，能够优化地并且独立于发射器单元的其它部分来调谐由发射器线圈和一个或多个调谐电容器组成的谐振电路。由于电感的不同，变压器与谐振电路去耦合，以允许发射器的不同部分的单独优化。可以选择标准的A类或B类放大器，以提供适当电压范围内(例如20Vpp)的输出信号。可以针对减小的损耗和电压转换来优化变压器，而可以针对具有高的Q因子来优化谐振电路。用单个变压器绕组完成电压转换，相对于发射器线圈，该单个变压器绕组包括相对更多的绕组线圈，导致了高电感，该高电感实际上将变压器从被调谐的谐振电路去耦合。

利用本发明的实施方式，能够获得更高的电压和更高的驱动电流，来用于驱动发射器线圈。被调谐的谐振电路的电压值和电流值可以增大到两个或更多的倍数。同时，避免了驱动信号的干扰和衰减，从而总体上能够实现灵敏度的显著增加。

优选地，单个变压器绕组包括第一组抽头和第二组抽头，允许选择被施加到谐振电路的期望电压。

可以在如下的装置中实施本发明：该装置仅使用一种工作频率；或者该装置包括可控频率发生器，该可控频率发生器允许选择两种或更多种的工作频率(优选在300kHz到850kHz的范围内)。

如果金属检测装置被设计为工作在两种或更多种工作频率，则设置两个或更多个的调谐电容器，该两个或更多个的调谐电容器能够单独或组合地连接到发射器线圈，以便形成调谐到所选工作频率的谐振电路。

在优选实施例中，在100:1到2000:1的范围内选择变压器绕组的电感与发射器线圈的电感的比。

优选地，变压器绕组的电感和发射器线圈的电感的比在最低工作频率的范围内被设置在100:1到200:1的范围内，并且在最高工作频率的范围内被设置在1000:1到2000:1的范围内。因此，在每个工作领域中，能够实现期望的谐振电路的去耦合。

在另外的优选实施例中，设置了控制单元，对该控制单元进行设计，使得能够从第一组抽头中选择所述第一抽头，和/或其中能够从第二组抽头中选择所述第二抽头，从而对于较高工作频率，增大变压器绕组的绕组线圈的比值(n+m)/n，并且对于较低工作频率，减小变压器绕组的绕组线圈的比值(n+m)/n。对比值(n+m)/n进行选择，从而对于每个工作频率，在发射器线圈两端产生期望的电压。优选地，对比值(n+m)/n进行选择，使得当工作频率改变时，流经放大器的电流并不显著变化。对抽头进行选择，从而当发射器线圈具有期望的电压时放大器中的电流处于最优值。优选地，当工作频率改变时，放大器的电流与最优的放大器电流值偏离不超过10％-20％。

在优选实施例中，相比于由变压器绕组的第一抽头决定的变压器绕组的绕组线圈数量n，由变压器绕组的第二抽头决定的变压器绕组的绕组线圈数量n+m在工作频率的频率范围的较低端处高了2到3倍，并且在工作频率的频率范围的较高端处高了5到15倍。

在另外的优选实施例中，变压器包括具有第一抽头、第二抽头和中心抽头的次级绕组，基准信号从该次级绕组被提供到设置在接收器单元中的信号处理单元，该基准信号用于检测信号变化，该信号变化是由正穿过发射器线圈并且穿过被中心抽头的接收器线圈的分离对称接收器线圈的产品或污染物诱发的。利用该措施，能够获得完全与被施加到发射器线圈的发射器信号相对应的基准。

在另外的优选实施例中，谐振电路的调谐电容器被直接附着到发射器线圈的抽头。以该方式，保持谐振电路紧凑，并且使否则将降低灵敏度的损耗最小化。优选地，设置屏蔽将谐振电路与金属检测装置的电气部分或电子部分隔离。

例如，变压器的铁芯是铁氧体铁芯，优选地是罐形铁芯的类型。该类型允许制造出创新的变压器，该创新的变压器在主要的实施例中仅包含围绕柱形铁芯转动的单个变压器绕组。在本申请中，该变压器展现了而且具有最小***损耗的优选特性。

附图说明

已经陈述了本发明的一些目的和优点，当结合附图考虑下面的具体实施方式时将发现本发明的其它目的和优点，在附图中：

图1示出了创新的金属检测装置的框图。

具体实施方式

图1示出了创新的金属检测装置的框图，该金属检测装置包括：发射器单元1，具有发射器线圈21、第一接收器线圈31和第二接收器线圈32的平衡线圈***，接收器单元4，信号处理单元6以及控制单元5。该控制单元5包括标准接口、输入设备和输出设备，优选为键盘和监视器。图1还象征性示出了传送器8，在传送器8上，可能包括污染物C的产品P被传送通过发射器线圈21和接收器线圈31、32。

发射器单元1包括频率发生器11，该频率发生器11将具有工作频率f_TX的信号提供给功率放大器12的输入端，功率放大器12例如根据A类或B类标准来工作。优选通过第一开关组14的开关将功率放大器12的输出施加到变压器13的单个绕组的第一组抽头141、142、143中的抽头，该变压器13的单个绕组包括第二组抽头151、152、153、154，并且围绕铁芯9转动。铁芯9例如是铁氧体铁芯，优选是具有柱形铁芯的罐形铁芯。

发射器线圈21通过第二开关组15的开关连接到第二组抽头151、152、153、154中的抽头。另外，调谐电容器221稳固地连接到发射器线圈21的抽头，从而形成谐振LC电路，该谐振LC电路被调谐到金属检测装置的第一工作频率f_TX。通过具有开关231、232的开关组23，附加的调谐电容器222、223能够并联连接到第一调谐电容器221，以便将谐振电路的谐振频率调节为能够在频率发生器11处选择的另外的工作频率f_TX。因此，本发明不仅能够被应用于仅使用一种工作频率f_TX的装置，还可以被应用于使用一种或更多种工作频率f_TX(优选在300kHz到850kHz的范围内)的任何金属检测装置。

变压器绕组131包括在第一组141、142、143中的第一抽头141与公共电势之间的数量为n的绕组线圈，以及在第二组抽头151、152、153、154中的第一抽头151与公共电势之间的数量为n+m的绕组线圈。发射器线圈21包括数量为q的绕组线圈。

通过选择抽头141、142、143、151、152、153、154来用于功率放大器12与发射器线圈21的相互连接，可以在大范围内适当选择传输比(transmission ratio)。

对初级变压器绕组131的绕组线圈与发射器线圈21的绕组线圈的比值(n+m)/q进行选择，使得初级变压器绕组131的电感至少高于发射器线圈21的电感十倍。利用对比值(n+m)/q的该选择以及得到的电感差别，对于变压器绕组131而言，获得了高阻抗，而对于合并到谐振电路中的发射器线圈21而言，获得低阻抗。因此，变压器13对谐振电路的影响依然很小。为了避免干扰，进一步利用金属屏蔽7保护谐振电路。

在优选实施例中，依据工作频率f_TX，将初级变压器绕组131的电感与发射器线圈21的电感的比选择为在100:1和2000:1之间的范围内。随着电感的比的增加，能够获得谐振电路的最优去耦。

优选地，在可选择的最低工作频率f_TX的范围内，将初级变压器绕组131的电感与发射器线圈21的电感的比设置在100:1到200:1的范围内。在最高工作频率f_TX的范围内，将初级变压器绕组131的电感与发射器线圈21的电感的比优选设置在1000:1到2000:1的范围内。

在典型实施例中，与由初级变压器绕组131的第一组抽头141、142、143的第一抽头141决定的初级变压器绕组131的绕组线圈的数量n相比，由第二组抽头151、152、153、154的第一抽头151决定的初级变压器绕组131的绕组线圈的数量n+m在工作频率f_TX的频率范围的较低端处高了2到3倍，在工作频率f_TX的频率范围的较高端处高了5到15倍。

第一组141、142、143中的第一抽头141与公共电势之间的绕组线圈数量n例如等于5。第二组151、152、153、154中的第一抽头151与公共电势之间的绕组线圈数量m_L例如等于11。第二组151、152、153、154中的最后一个抽头154与公共电势之间的绕组线圈数量m_H例如等于33。优选地，各个抽头151、152、153、154之间的绕组线圈是均匀分布的。

例如，第一组抽头可以被简化为单个抽头141。然而，利用多于一个的抽头141、142、143，显著增强了选择适当电压的灵活性。

优选地，对开关组14和开关组15的设置进行选择，使得对于较高工作频率f_TX，增大初级变压器绕组(131)的绕组线圈的比值(n+m)/n，而对于较低工作频率f_TX，减小初级变压器绕组(131)的绕组线圈的比值(n+m)/n。

通过该措施，针对每个工作频率f_TX，可以单独调整发射器线圈21两端产生的电压。在优选实施例中，对开关组14和开关组15进行致动，使得功率放大器12中流动的电流与所选的工作频率f_TX无关地保持大致恒定。因此，功率放大器工作在优选的模式下。作为结果，实现了金属检测装置在工作频率f_TX的整个范围内的稳定性能。可以避免调节和自动控制、用于调整接收器增益的闭环电路、以及由幅值变化以及频率变化引起的错误测量结果。

在图中还示出了初级变压器绕组131耦接到次级变压器绕组132，次级变压器绕组132在第一抽头1321与第二抽头1323之间包括中心抽头1322。次级绕组132两端出现的电压被作为基准信号馈送到信号处理单元6，当没有产品P和/或污染物C穿过平衡线圈***21、3时，次级绕组132两端出现的电压完全对应于接收器线圈3两端出现的信号。因此，利用基准信号S_REF，能够精确检测由产品P或污染物C诱发的接收信号的变化。由于基准信号S_REF被锁相到位于功率放大器12的输出端处的发射器信号S_TX，所以能够以最高的精确度执行信号变化的检测。避免了可能否则发生在发射器电子器件的逻辑模块中的相位偏移。

该创新的金属检测装置包括控制单元5，该控制单元5通过控制线51控制频率发生器11，通过控制线52控制开关组14的设置，通过控制线53控制开关组15，并且通过控制线54控制谐振电路的调谐电容器222、223的开关231、232。另外，控制单元5通过通信通道60连接到信号处理单元6。

优选地，控制单元5包括支持该创新的金属检测装置的自动工作的计算机程序。

Claims

1.一种金属检测装置，包括发射器单元(1)，所述发射器单元(1)将发射器信号提供到发射器线圈(21)，所述发射器线圈(21)耦合到接收器线圈(3)，所述接收器线圈(3)连接到接收器单元(4)的输入端，所述发射器单元(1)包括频率发生器(11)，所述频率发生器(11)将工作频率(f_TX)提供到功率放大器(12)的输入端，所述功率放大器(12)的输出端通过变压器(13)连接到所述发射器线圈(21)，其特征在于：所述功率放大器(12)的输出端连接到第一抽头(141；142；143)，并且所述发射器线圈(21)连接到所述变压器(13)的同一初级变压器绕组(131)的第二抽头(151；152；153；154)，在所述第一抽头和公共电势之间具有数量为n的绕组线圈，在所述第二抽头(151；152；153；154)和所述公共电势之间具有数量为n+m的绕组线圈，其中，所述发射器线圈(21)包括数量为q的绕组线圈，并且被并联连接到调谐电容器(221)，因此形成被调谐到所述工作频率(f_TX)的谐振电路，并且其中，对所述初级变压器绕组(131)的绕组线圈与所述发射器线圈(21)的绕组线圈的比值(n+m)/q进行选择，使得所述初级变压器绕组(131)的电感高于所述发射器线圈(21)的电感至少十倍。

2.根据权利要求1所述的金属检测装置，其中，能够从第一组抽头(141；142；143)中选择所述第一抽头，和/或其中，能够从连接到具有多个绕组线圈的所述初级变压器绕组(131)的第二组抽头(151；152；153；154)中选择所述第二抽头，以允许在1到15的范围内选择比值(n+m)/n。

3.根据权利要求1或2所述的金属检测装置，其中，设置了可控频率发生器(11)，所述可控频率发生器允许选择两个或更多个的工作频率(f_TX)。

4.根据权利要求3所述的金属检测装置，其中，设置一个或多个附加的调谐电容器(222；223)，所述一个或多个附加的调谐电容器(222；223)能够单独地或组合地连接到所述发射器线圈(21)，以便形成被调谐到所选工作频率(f_TX)的谐振电路。

5.根据权利要求3所述的金属检测装置，其中，能够在100:1到2000:1的范围内选择所述初级变压器绕组(131)的电感与所述发射器线圈(21)的电感的比值。

6.根据权利要求5所述的金属检测装置，其中，对于最低工作频率(f_TX),所述初级变压器绕组(131)的所述电感与所述发射器线圈(21)的所述电感的所述比值被设置在100:1到200:1的范围内，以及对于最高工作频率(f_TX)，所述初级变压器绕组(131)的所述电感与所述发射器线圈(21)的所述电感的所述比值被设置在1000:1到2000:1的范围内。

7.根据权利要求2所述的金属检测装置，其中，设置了控制单元(5)，对所述控制单元(5)进行设计，使得能够从第一组抽头(141；142；143)中选择所述第一抽头，和/或其中，能够从第二组抽头(151；152；153；154)中选择所述第二抽头，从而对于较高工作频率(f_TX)，增大所述初级变压器绕组(131)的所述绕组线圈的所述比值(n+m)/n，而对于较低工作频率(f_TX)，减小所述初级变压器绕组(131)的所述绕组线圈的所述比值(n+m)/n。

8.根据权利要求7所述的金属检测装置，其中，能够针对每个工作频率(f_TX)选择所述比值(n+m)/n，使得在发射器线圈(21)两端产生期望的电压，并且对于所选的所有工作频率(f_TX)，在最优值处所述功率放大器(12)中的电流是近似恒定的。

9.根据权利要求1或2所述的金属检测装置，与由所述初级变压器绕组(131)的所述第一抽头(141；142；143)决定的所述初级变压器绕组(131)的绕组线圈的数量n相比，由所述第二抽头(151；152；153；154)决定的所述初级变压器绕组(131)的绕组线圈的数量n+m在所述工作频率(f_TX)的频率范围的较低端处高了2到3倍，而在所述工作频率(f_TX)的频率范围的较高端处高了5到15倍。

10.根据权利要求1或2所述的金属检测装置，其中，所述变压器(13)包括次级绕组(132)，所述次级绕组具有第一抽头(1321)、第二抽头(1323)和中心抽头(1322)，将基准信号(S_REF)从所述次级绕组提供到设置在所述接收器单元(4)中的信号处理单元(6)，所述基准信号(S_REF)用于检测由正穿过所述发射器线圈(21)并且穿过中心抽头的所述接收器线圈(3)的分离对称接收器线圈(31、32)的产品(P)或污染物(C)诱发的信号变化。

11.根据权利要求4所述的金属检测装置，其中，所述调谐电容器(221)和所述一个或多个附加的调谐电容器(222；223)直接附着到所述发射器线圈(21)的所述抽头。

12.根据权利要求1或2所述的金属检测装置，其中，所述变压器包括铁氧体铁芯。

13.根据权利要求3所述的金属检测装置，其中，所述工作频率在300kHz到850kHz的范围内。

14.根据权利要求12所述的金属检测装置，其中，所述铁氧体铁芯是罐形铁芯类型(9)。