DE10122741A1 - Detektor zur Ortung metallischer Gegenstände - Google Patents
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Abstract
Der Detektor weist eine Empfangsspule (7) und eine erste Sendespule (5) auf, wobei die Spulen (7, 5) induktiv miteinander gekoppelt sind. Damit ein möglichst geringes Offsetsignal im Detektor entsteht, ist eine zweite Sendespule (6) vorhanden, die ebenfalls mit der Empfangsspule (7) induktiv gekoppelt ist. Die Empfangsspule (7) und die beiden Sendespulen (5, 6) sind konzentrisch auf einer gemeinsamen Achse (8) angeordnet. Die beiden Sendespulen (5, 6) sind bezüglich ihrer Windungszahlen und/oder ihrer Abmessungen so dimensioniert und die in die beiden Sendespulen (5, 6) eingespeisten Sendeströme sind bezüglich ihrer gegenseitigen Phasenlagen und/oder ihrer Amplituden so bemessen, dass sich die von den beiden Sendespulen (5, 6) in der Empfangsspule (7) angeregten Flüsse gegenseitig kompensieren.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Detektor zur Ortung
metallischer Gegenstände, der eine Empfangsspule und eine
erste Sendespule aufweist, wobei die Spulen induktiv
miteinander gekoppelt sind.
Detektoren zur Ortung metallischer Gegenstände wenden häufig
induktive Messverfanren an. Hierbei wird ausgenutzt, dass
sich die induktiven Eigenschaften ein oder mehrerer in die
Nähe von metallischen Gegenständen gebrachter Spulen
verändern. Die von metallischen Gegenständen hervorgerufenen
Veränderungen der induktiven Eigenschaften werden von einer
Empfangsschaltung detektiert. Auf diese Weise lassen sich
z. B. in einer Wand eingeschlossene metallische Gegenstände
mittels einer oder mehrerer über die Wand hinweg geführter
Spulen orten. Eine technische Schwierigkeit bei der
Detektion metallischer Gegenstände besteht darin, dass die
Rückwirkung der zu ortenden Gegenstände auf die induktiven
Eigenschaften einer oder mehrerer Spulen betraglich sehr
klein ist. Dies trifft vor allem für den Einfluss von nicht
ferromagnetischen Gegenständen zu, wie z. B. von Kupfer, das
aber in Form von elektrischen Leitungen oder Wasserleitungen
sehr häufig in Wänden verlegt ist. Die auf einem induktiven
Verfahren basierenden Detektoren haben in der Regel einen
hohen Offset, der es schwierig macht, sehr kleine induktive
Änderungen aufgrund von in die Nähe des Detektors gebrachten
metallischen Gegenständen zu detektieren. Der Offset, von
dem hier gesprochen wird, ist ein an einer Empfangsspule
abgreifbares Signal, das ohne Einfluss eines metallischen
Gegenstandes von der Empfangsschaltung im Detektor gemessen
wird. Es ist das Ziel, diesen Offset möglichst gering zu
halten, ihn idealer Weise zu Null zu machen, so dass selbst
sehr kleine Änderungen des induktiven Verhaltens aufgrund
von in die Nähe des Detektors gebrachten metallischen
Gegenständen zuverlässig detektiert werden können.
Aus der US 5,729,143 geht ein Detektor hervor, dessen Ziel
es ist, den zuvor angesprochenen Offset des Messsignals
möglichst weitgehend zu unterdrücken. Zu diesem Zweck weist,
wie die Fig. 5 zeigt, der Detektor eine Sendespule 1, die
an einen Sender S angeschlossen ist, und eine Empfangsspule
2, die an einen Empfänger E angeschlossen ist, auf. Die
Sendespule 1 und die Empfangsspule 2 sind in der Weise
miteinander induktiv gekoppelt, dass sie sich teilweise
gegenseitig überlappen. Die Sendespule 1 wird vom Sender S
mit einem Wechselstrom gespeist. Diese stromdurchflossene
Sendespule 1 erregt durch die induktive Kopplung mit der
Empfangsspule 2 in dieser einen ersten Teilfluss in der
Überlappungsfläche und einen zweiten Teilfluss in der
restlichen Fläche der Empfangsspule 2. Der Abstand a
zwischen dem Zentrum 3 der Sendespule 1 und dem Zentrum 4
der Empfangsspule 2 sollte nun so gewählt werden, dass sich
die beiden Teilflüsse, welche ein entgegengesetztes
Vorzeichen haben, gegenseitig kompensieren. Wenn das der
Fall ist, induziert die stromdurchflossene Sendespule 1,
wenn sich kein metallischer Gegenstand in der Nähe der
Spulenanordnung befindet, keinen Strom in der Empfangsspule
2. Der Empfänger E würde in diesem Idealfall kein
Offsetsignal messen. Erst wenn die Spulenanordnung in die
Nähe eines metallischen Gegenstandes gebracht wird, werden
die von der Sendespule 1 erzeugten Feldlinien gestört, so
dass nun in der Empfangsspule 2 ein nicht verschwindender
Fluss angeregt wird, der ein Messsignal in der Empfangsspule
2 zur Folge hat. Dieses vom Empfänger E aufgenommene
Messsignal ist unbeeinflusst von irgend einem Offsetsignal.
Die Fig. 6 verdeutlicht, wie der in der Empfangsspule 2
induzierte Fluss Φ vom Abstand a zwischen den Zentren 3 und
4 der sich gegenseitig überlappenden Spulen 1 und 2 abhängt.
Es zeigt sich, dass bei einem gewissen Abstand a0 der Fluss
Φ in der Empfangsspule 2 gänzlich verschwindet. Der Verlauf
des Flusses Φ in Abhängigkeit des Abstandes a macht aber
auch deutlich, dass er im Bereich des Idealabstandes a0 eine
sehr große Steigung aufweist. Das bedeutet, dass schon sehr
kleine Abweichungen vom Ideal-Abstand a0 eine sehr starke
Zunahme des in der Empfangsspule 2 induzierten Flusses Φ
mit sich bringt. In der Praxis lässt sich dieser
Idealabstand a0 kaum realisieren, so dass sich ein völlig
flussfreier Zustand der Empfangsspule 2 wohl nicht erreichen
lässt. Es wird also immer ein gewisses Offsetsignal geben.
Deswegen wird gemäß der US 5,729,143 vorgeschlagen, den
Detektor immer wieder neu zu kalibrieren, d. h. einen
Nullabgleich im Empfänger E vorzunehmen.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Detektor
der eingangs genannten Art anzugeben, der ein möglichst
geringes Offsetsignal erzeugt, wobei eine Fehlplatzierung
der Spulen einen möglichst geringen Einfluss auf den Offset
hat.
Die genannte Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1
dadurch gelöst, dass neben einer ersten Sendespule noch eine
zweite Sendespule vorhanden ist, welche beide mit der
Empfangsspule induktiv gekoppelt sind. Dabei sind die
Empfangsspulen und die beiden Sendespulen konzentrisch auf
einer gemeinsamen Achse angeordnet, und die beiden
Sendespulen sind bezüglich ihrer Windungszahlen und/oder
ihrer Abmessungen so dimensioniert und die in die beiden
Sendespulen eingespeisten Sendeströme bezüglich ihrer
gegenseitigen Phasenlagen und/oder ihrer Amplituden so
bemessen, dass sich die von den beiden Sendespulen in der
Empfangsspule angeregten Flüsse gegenseitig kompensieren.
Durch den Einsatz zweier Sendespulen, die konzentrisch mit
einer Empfangsspule auf einer gemeinsamen Achse angeordnet
sind, lässt sich ein Detektor realisieren, dessen Messsignal
keinen bzw. einen nur sehr geringen Offset aufweist. Hinzu
kommt, dass eine Fehlplatzierung der Spulen im Detektor nur
einen sehr geringen Einfluss auf die Bildung eines
Offsetsignals hat. Aus diesem Grund kann auf einen
Kalibrierprozess im Empfänger des Detektors verzichtet
werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den
Unteransprüchen hervor.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die beiden Sendespulen
und die Empfangsspule relativ zueinander anzuordnen. So
können die beiden Sendespulen und die Empfangsspule koaxial
zueinander in einer Ebene angeordnet sein. Auch können die
beiden Sendespulen und die Empfangsspule in verschiedenen
Ebenen übereinander angeordnet sein. Außerdem können von den
beiden Sendespulen und der Empfangsspule zwei Spulen koaxial
zueinander in einer Ebene und die dritte Spule in einer dazu
versetzten Ebene angeordnet sein.
Anhand mehrerer in der Zeichnung dargestellter
Ausführungsbeispiele wird nachfolgend die Erfindung näher
erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Detektor mit drei in einer Ebene angeordneten
Spulen,
Fig. 2 die Abhängigkeit des Flusses in der Empfangsspule
von einer Fehlplatzierung der Empfangs- und Sendespulen,
Fig. 3 einen Detektor mit drei in verschiedenen Ebenen
übereinander angeordneten Spulen,
Fig. 4 einen Detektor mit zwei koaxialen, zueinander in
einer Ebene angeordneten und einer dritten Spule in einer
dazu versetzten Ebene,
Fig. 5 einen Detektor gemäß dem Stand der Technik mit zwei
einander überlappenden Spulen und
Fig. 6 die Abhängigkeit des Flusses in der Empfangsspule
vom gegenseitigen Abstand der beiden Spulen gemäß Fig. 5.
Die Fig. 1 zeigt einen prinzipiellen Aufbau eines Detektors
zur Ortung metallischer Gegenstände. Dieser Detektor weist
drei Spulen auf. Eine erste Sendespule 5, die an einen
ersten Sender S1 angeschlossen ist, eine zweite
Sendespule 6, die an einen zweiten Sender S2 angeschlossen
ist, und eine Empfangsspule 7, die an einen Empfänger E
angeschlossen ist. Jede Spule ist hier als kreisförmige
Linie dargestellt. Dabei kann jede Spule 5, 6, 7 auch eine
vom Kreis abweichende Form haben und aus einer oder auch
mehreren Windungen bestehen. Die Besonderheit der Anordnung
dieser drei Spulen S, 6, 7 besteht darin, dass sie alle
konzentrisch auf einer gemeinsamen Achse 8 angeordnet sind.
Bei dem in der Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel
sind alle Spulen 5, 6 und 7 in einer gemeinsamen Ebene
angeordnet. Diese Anordnung ist nur möglich, wenn, wie der
Fig. 1 zu entnehmen ist, die einzelnen Spulen 5, 6, 7
unterschiedliche Außenabmessungen aufweisen, so dass die
Spule 7 in die Spule Sund die Spule 5 in die Spule 6
koaxial zur Achse 8 einsetzbar ist.
Die beiden Sendespulen 5 und 6 werden von ihren Sendern S1
und S2 mit Wechselströmen entgegengesetzter Phase gespeist.
Damit induziert die erste Sendespule 5 in der Empfangsspule
7 einen Fluss, der dem von der zweiten Sendespule 6 in der
Empfangsspule 7 induzierten Fluss entgegengesetzt gerichtet
ist. Beide in der Empfangsspule 7 induzierten Flüsse
kompensieren sich gegenseitig, so dass der Empfänger E kein
Empfangssignal in der Empfangsspule 7 detektiert. Das gilt
natürlich nur, wenn sich in der Nähe der Spulenanordnung
kein metallischer Gegenstand befindet. Der von den einzelnen
Sendespulen 5 und 6 in der Empfangsspule E erregte Fluss Φ
hängt von verschiedenen Größen ab, nämlich der Windungszahl
und der Geometrie der Spulen 5, 6 und von den Amplituden der
in die beiden Sendespulen 5, 6 eingespeisten Ströme und der
gegenseitigen Phasenlage der Ströme in den Sendespulen 5, 6.
Diese Größen sind letztendlich so zu optimieren, dass in
Abwesenheit eines metallischen Gegenstandes in der
Empfangsspule 7 bei stromdurchflossenen Sendespulen 5 und 6
kein Fluss bzw. ein möglichst geringer Fluss Φ angeregt
wird.
Es wird davon ausgegangen, dass die einzelnen Spulen 5, 6, 7
mit ihren Schwerpunkten auf der gemeinsamen Achse 8 liegen.
In der Praxis gibt es aber immer gewisse Abweichungen von
dieser Ideallage der einzelnen Sendespulen. Wie sich eine
Fehlplatzierung d der Sendespulen 5, 6 gegenüber der
Empfangsspule 7 bezüglich des in der Empfangsspule 7
erregten Flusses Φ auswirkt, zeigt die Fig. 2. Im
Idealfall, wenn es keine Fehlplatzierung d gibt, ist der aus
den von den beiden Sendespulen 5 und 6 angeregten
Teilflüssen resultierende Gesamtfluss Φ in der
Empfangsspule 7 gleich Null. Wie der Verlauf des
resultierenden Gesamtflusses Φ in Abhängigkeit von der
Fehlplatzierung d in Fig. 2 zeigt, führt eine Abweichung
von der Ideallage (d = 0) der Spulen nur zu einem geringen
Anstieg des Flusses Φ durch die Empfangsspule 7. Der
beschriebene Detektor, bestehend aus zwei Sendespulen 5, 6
und einer Empfangsspule 7, die alle konzentrisch auf einer
gemeinsamen Achse 8 angeordnet sind, ist also äußerst
unempfindlich gegenüber kleinen in der Praxis auftretenden
Fehlplatzierungen seiner Spulen. Das lässt sich dadurch
erklären, dass eine Verschiebung einer einzelnen der drei
Spulen 5, 6, 7 von der gemeinsamen Achse 8 weg in jeder
Verschieberichtung die gleiche Störkomponente des Flusses Φ
durch die Empfangsspule 7 beisteuert. D. h. die
Störkomponente des Flusses Φ hängt nicht vom Vorzeichen der
Fehlplatzierung d ab. Wie Fig. 2 zeigt, ist die Nullstelle
des Flusses Φ bei d = 0 eine Nullstelle mindestens zweiter
Ordnung. Auch bei einer Fehlplatzierung d von zwei Spulen
gleichzeitig ergibt sich in Summe eine Abhängigkeit zweiter
Ordnung der Störkomponente vom Betrag der Fehlplatzierung d.
Die in der Fig. 1 dargestellte Reihenfolge der beiden
Sendespulen 5, 6 und der Empfangsspule 7 kann auch verändert
werden. So kann die Empfangsspule 7 entweder zwischen den
beiden Sendespulen 5 und 6 oder außerhalb der beiden
Sendespulen 5, 6 liegen.
Eine andere Möglichkeit der Anordnung der drei Spulen zeigt
die Fig. 3. Dort sind eine erste Sendespule 9, die an einen
ersten Sender S1 angeschlossen ist, eine zweite
Sendespule 10, die an einen zweiten Sender S2 angeschlossen
ist und eine Empfangsspule 11, die an einen Empfänger E
angeschlossen ist, in verschiedenen Ebenen übereinander
angeordnet, und zwar jede der drei Spulen 9, 10, 11
konzentrisch zu einer gemeinsamen Achse 12. Auch hier kann
die Reihenfolge der einzelnen Spulen 9, 10, 11 vertauscht
werden. Die Empfangsspule 11 kann z. B. zwischen den beiden
Sendespulen 9 und 10 oder unterhalb der beiden Sendespulen 9
und 10 angeordnet sein.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Anordnung der drei
Spulen des Detektors zeigt die Fig. 4. Hier sind eine erste
Sendespule 13, die an einen ersten Sender S1 angeschlossen
ist, und eine zweite Sendespule 14, die an einen zweiten
Sender S2 angeschlossen ist, koaxial zueinander in einer
gemeinsamen Ebene angeordnet, und eine Empfangsspule 15 ist
in einer gegenüber den beiden Sendespulen 13 und 14
versetzten Ebene angeordnet. Alle drei Spulen 13, 14, 15
liegen konzentrisch bezüglich einer gemeinsamen Achse 16.
Wie schon bei den vorangehend beschriebenen
Ausführungsbeispielen, können die Sende- und Empfangsspulen
13, 14, 15 gegeneinander vertauscht werden. D. h. die
Empfangsspule 15 kann z. B. zusammen mit der Sendespule 13
oder mit der Sendespule 14 in einer Ebene liegen, wobei dann
die andere Sendespule 14 bzw. 13 in einer zweiten Ebene
darüber anzuordnen wäre. Entscheidend bei den relativen
Anordnungen der drei Spulen ist, dass die Sendespulen mit
der Empfangsspule induktiv gekoppelt sind.
Claims (4)
1. Detektor zur Ortung metallischer Gegenstände, der eine
Empfangsspule (7, 11, 15) und eine erste Sendespule (5,
9, 13) aufweist, wobei die Spulen (7, 11, 15, 5, 9, 13)
induktiv miteinander gekoppelt sind, dadurch
gekennzeichnet,
dass eine zweite Sendespule (6, 10, 14) vorhanden ist, die ebenfalls mit der Empfangsspule (7, 11, 15) induktiv gekoppelt ist,
dass die Empfangsspule (7, 11, 15) und die beiden Sendespulen (5, 9, 13, 6, 10, 14) konzentrisch auf einer gemeinsamen Achse (8, 12, 16) angeordnet sind,
und dass die beiden Sendespulen (5, 9, 13, 6, 10, 14) bezüglich ihrer Windungszahlen und/oder ihrer Abmessungen so dimensioniert und in die beiden Sendespulen (5, 9, 13, 6, 10, 14) eingespeiste Sendeströme bezüglich ihrer gegenseitigen Phasenlagen und/oder ihrer Amplituden so bemessen sind, dass sich die von den beiden Sendespulen (5, 9, 13, 6, 10, 14) in der Empfangsspule (7, 11, 15) angeregten Flüsse gegenseitig kompensieren
dass eine zweite Sendespule (6, 10, 14) vorhanden ist, die ebenfalls mit der Empfangsspule (7, 11, 15) induktiv gekoppelt ist,
dass die Empfangsspule (7, 11, 15) und die beiden Sendespulen (5, 9, 13, 6, 10, 14) konzentrisch auf einer gemeinsamen Achse (8, 12, 16) angeordnet sind,
und dass die beiden Sendespulen (5, 9, 13, 6, 10, 14) bezüglich ihrer Windungszahlen und/oder ihrer Abmessungen so dimensioniert und in die beiden Sendespulen (5, 9, 13, 6, 10, 14) eingespeiste Sendeströme bezüglich ihrer gegenseitigen Phasenlagen und/oder ihrer Amplituden so bemessen sind, dass sich die von den beiden Sendespulen (5, 9, 13, 6, 10, 14) in der Empfangsspule (7, 11, 15) angeregten Flüsse gegenseitig kompensieren
2. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die beiden Sendespulen (5, 6) und die Empfangsspule (7)
koaxial zueinander in einer Ebene angeordnet sind.
3. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die beiden Sendespulen (9, 10) und die Empfangsspule
(11) in verschiedenen Ebenen übereinander angeordnet
sind.
4. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
von den beiden Sendespulen (13, 14) und der
Empfangsspule (15) zwei Spulen (13, 14) koaxial
zueinander in einer Ebene und die dritte Spule (15) in
einer dazu versetzten Ebene angeordnet sind.
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