DE1758116B1

DE1758116B1 - Verfahren und vorrichtung zum elektromagnetischen feststellen von elektrisch leitenden koerpern

Info

Publication number: DE1758116B1
Application number: DE19681758116
Authority: DE
Inventors: K B Fallenius; K A Varmola
Original assignee: Outokumpu Oyj
Current assignee: Outokumpu Oyj
Priority date: 1967-04-10
Filing date: 1968-04-05
Publication date: 1971-10-07
Also published as: US3588685A; FI40646B; JPS507779B1; SU448656A3; SU377993A3; SE373673B; GB1219480A

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vor- die sich in Phase mit dem Sendefeld befindet, hat

richtung zum elektromagnetischen Feststellen von für nichtmagnetische Stoffe bei den beiden Fre-

elektrisch leitenden Körpern, beispielsweise Metall- quenzen die gleiche Polarität, während magne-

körper, in einem Medium (Umgebungsmaterial), tische Stoffe Signale entgegengesetzter Polarität

welches eine andere elektrische Leitfähigkeit hat als 5 bei den beiden Frequenzen zur Folge haben, das Material der festzustellenden Körper; die Erfindung bezieht sich insbesondere auf das Feststellen Die Verfahren A und B machen keinen Gebrauch magnetischer und nichtmagnetischer Metallstücke, von der Phaseninformation, die in dem Signal entinsbesondere Metallschrott, in einem auf einem För- halten ist, welches von dem festzustellenden Körper derband geförderten magnetischen und/oder leitenden io hervorgerufen wird. Selbst Teile bzw. Körper eines Erz oder Erzprodukt. schwachmagnetischen Umgebungsmaterials erzeugen

Die elektromagnetischen Verfahren zum Feststellen Signale, die gleich oder stärker sind als das erwünschte von Metallkörpern basieren auf Veränderungen des Signal, welches durch den festzustellenden Körper Betriebes eines Detektors (gewöhnlich eine Spule oder hervorgerufen wird. Dieses ist insbesondere dann der ein Spulensystem), wenn die Metallkörper in den 15 Fall, wenn der festzustellende Körper unmagnetisch Einflußbereich des Detektors gelangen. Die Arbeits- ist. Aus diesem Grunde können die Verfahren A und weise derartiger Metalldetektoren basiert auf folgen- B nur zur Feststellung von Metallkörpern innerhalb den Prinzipien: nichtmagnetischen oder nur schwachmagnetischen

Umgebungsmaterialien benutzt werden.

A) Abgeglichenes Spulensystem, bei dem der fest- ₂₀ Da das Verfahren C auf den magnetischen Eig;nzustellende Körper die Impedanz von einer oder schäften des Materials basiert, kann es nicht zur Anmehrerer Spulen oder die gegenseitige Kopplung _zei_ge von magnetischen und/oder elektrisch leitenden zwischen den Spulen verändert. Eine Größe Gegenständen innerhalb eines magnetischen Umge- § (gewöhnlich die Spannung), welche eine Ab- bungsmaterials benutzt werden. Es ist weiterhin nicht weichung von dem Abgleichzustand des Spulen- ₂₅ möglich, nichtmagnetische Metallkörper durch Versystems anzeigt, wird für die Anzeige benutzt. wendung dieses Verfahrens festzustellen.

Das Verfahren wird so durchgeführt, daß eine Für das Verfahren D ist es erforderlich, daß das

oder mehrere auf den festzustellenden Körper Material des festzustellenden Körpers oder das Umansprechende Meß- bzw. Empfängerspulen als gebungsmaterial magnetisch ist. Wenn beide Stoffe Teile einer Wechselstrombrücke angeordnet wer- ₃₀ magnetisch oder beide Stoffe nichtmagnetisch sind, den, so daß die Ausgangsspannung im abgegliche- k_ann dieses Verfahren nicht angewendet werden, nen Zustand Null ist. Eine oder mehrere Spulen selbst dann, wenn die beiden Materialien beträchtlich werden alternativ als Sendeantennen verwendet, voneinander abweichende Leitfähigkeitseigenschaften während die andere Spule oder anderen Spulen haben. Wenn jedes der beiden Materialien nur schwach als Empfängerantennen wirken, so daß die gegen- ₃₅ magnetisch ist, arbeitet dieses Verfahren nur sehr seitige Kopplung zwischen den Sende- und Emp- ungenau.

fängersystemen und die empfangenen Signale Demgegenüber ist das erfindungsgemäße Verfahren

gleich Null sind oder künstlich auf Null einge- _zurn elektromagnetischen Feststellen von elektrisch stellt werden. leitenden Körpern in einem auf einem Förderband

B) Die Veränderung des ß-Wertes des Detektors. 40 bewegten Material mit geringerer elektrischer Leit-Die Meßspulen bilden einen Teil eines Oszillator- fähigkeit dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines bzw. Schwingkreises, und die durch den Metall- stationären Spulensystems ein elektromagnetisches körper verursachte Veränderung des g-Wertes Niederfrequenz-Primärfeld erzeugt wird, das seine

des Kreises wird für die Anzeige benutzt. Die Richtung und Amplitude positionsabhängig ändert, Λ Schwingungsamplitude in dem Kreis wird mittels 45 so daß dann, wenn ein festzustellender Körper sich ^m einer langsam reagierenden Steuerschaltung kon- durch das Primärfeld hindurchbewegt, die Feldrichstant gehalten. Wenn der Metallgegenstand sich tung mindestens an einem Punkt entlang der Bemit ausreichender Geschwindigkeit in den Ein- wegungslinie des Körpers eine Komponente in Richflußbereich der Spule bewegt, erzeugen die Ver- tung des Körpers hat, die ausreichend groß ist, um ein änderungen des ß-Wertes eine Amplitudenstö- 5o meßbares Sekundärfeld unabhängig von der Form, rung. Diese Störung wird ermittelt und zur Er- Richtung oder Position des Körpers auf dem Förderzeugung eines Alarmsignals benutzt. band zu erzeugen, daß eine (relativ zum Primärfeld) „.„.„„ , · · · , phasenverschobene Komponente des von dem fest-

C) Kraftflußverzerrung, wobei ein statisches magne- _{zusteIlenden Körper und dem} Umgebungsmaterial in tisches Feld m dem Uberwachungsbereich er- _{dem PrimärfeId erzeU}gten Sekundärfeldes beobachtet zeugt wird und durch den Korper verursachte Ver- ^_n, _{wofed djese Ph}*_{senverschiebung so} ausgewählt änderungen m der magnetischen Kraitflußver- ; _{daß dje beobachtete} Komponente in der Größe teilung angezeigt werden. Wenn der Korper sich _{für den festzustel}i_enden Körper und das Umgebungsm das Feld bewegt, das mittels Gleichstromspulen _{material infol unterschiedlichen} Leitvermögens von oder Permanentmagneten erzeugt wird, induziert _{6o Kö und} Umgebungsmaterial unterschiedlich ist, die durch den Korper verursachte kontinuierliche _{wobd ein Emp}f_ang_SSpuien_System verwendet wird, so FlußveranderungmdenMeßspuleneineSpannung, _{daß der festzustellende} Körper, wenn er sich an dem die proportional der Geschwindigkeit des Kor- _{bevor2Ugten Punkt des Pri}märfeldes befindet, gleichpers ist. Diese Spannung wird ermittelt und zur _{zeki dne bevorz te Position und Rich}tung zu dem Erzeugung eines Alarmsignals verwendet. _6;. _signä_erzeugenden Teil des Empfangsspulensystems

D) Zwei-Frequenzen-Methode, auf den magnetischen einnimmt, und daß ein der phasenverschobenen Kom-Eigenschaften des Materials basierend (britische ponente proportionales Signal elektronisch mit min-Patentschrift 1095 625). Die Feldkomponente, destens einem vorgegebenen Grenzwertverglichenwird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist gekennzeichnet durch ein aus einer oder mehreren Spulen gebildetes Spulensystem, um ein Primärfeld zu erzeugen, das seine Richtung und Amplitude als Funktion der Position ändert, so daß dann, wenn sich ein festzustellender Körper durch das Primärfeld hindurchbewegt, die Feldrichtung mindestens an einem Punkt der Bewegungslinie des Körpers eine Komponente in Richtung der bevorzugten Wirbelstrominduktion des Körpers hat, die ausreichend groß ist, um ein meßbares Sekundärfeld, unabhängig von der Form, Richtung und Position des Körpers, auf dem Förderband zu erzeugen, und um ein Signal aufzunehmen, das in einem Empfängerspulensystem durch das Sekundärfeld von dem Körper an dem bevorzugten Punkt des Primärfeldes induziert worden ist; einen Signalverstärker, um dieses induzierte Empfangssignal zu verstärken; einen phasenempfindlichen Detektor bzw. Gleichrichter, der auf der Frequenz des Senders arbeitet, um ein Signal zu erzeugen, das proportional der Sekundärfeldkomponente ist, die relativ zum Primärfeld eine vorgegebene Phasenverschiebung hat, und ein Monitor- bzw. Kontrollgerät, welches dieses Signal elektronisch mit mindestens einem vorgegebenen Grenzwert vergleicht und ein Alarmsignal abgibt, welches das Vorhandensein eines Metallkörpers auf dem Förderband anzeigt.

Das erfindungsgemäße Verfahren und einige Vorrichtungen zur Durchführung und Anwendung des Verfahrens werden im folgenden mehr ins einzelne gehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild einer bevorzugten Detektorbauart gemäß der Erfindung,

F i g. 2 und 3 Signale von Erzmaterial und eines Metallkörpers in einem Realkomponenten-Imaginärkomponenten-Koordinatensystem in Abhängigkeit der Körpregröße und der ausgewählten zu messenden Größen auf der Basis dieser Kurve,

F i g. 4 die Parallelprojektion einer Senderspulenanordnung auf die Ebene des Förderbandes,

F i g. 5 die Parallelprojektion einer Meß- bzw. Empfängerspulenanordnung auf die Ebene des Förderbandes,

F i g. 6 eine ebene Spulenanordnung gemäß den F i g. 4 und 5,

F i g. 7 die Richtungsänderungen des Feldvektors der Sendespule gemäß F i g. 8 entlang der Linie A-C parallel zur Förderbandbewegungsrichtung,

F i g. 8 die Parallelprojektion der Sendespule auf die Ebene des Förderbandes,

F i g. 9 ein Spulensystem, bei dem beide Spulen sich auf der gleichen Seite des Förderbandes befinden,

Fig. 10 ein Spulensystem gemäß dem in F i g. 9 dargestellten Spulensystem, wobei die Spulen parallelogrammformig gestaltet sind,

Fig. 11 ein Spulensystem, bei dem sowohl Sendeais auch Empfängerspulenteile unter und über der Förderbandebene angeordnet sind,

Fig. 12 die gegenseitige Position der aufeinander projizierten Spulen gemäß F i g. 11,

Fig. 13 das Verhältnis der verschiedenen Signale von der phasenempfindlichen Dektorschaltung, welche in die Monitor- bzw. Kontrollgerätschaltung gelangen, und die Anordnung der Alarmgrenzen, wenn das Monitor- bzw. Kontrollgerät derart gestaltet ist, daß es mit einer Alarmgrenze arbeitet,

Fig. 14 das Verhältnis der verschiedenen Signale

von der phasenempfindlichen Detektorschaltung, welche in die Monitor- bzw. Kontrollgerätschaltung gelangen, und die Anordnung der Alarmgrenzen, wenn das Monitorgerät so gestaltet ist, daß es mit zwei Alarmgrenzen entgegengesetzten Vorzeichens arbeitet, Fig. 15 das Verhältnis der verschiedenen Signale

von der phasenempfindlichen Detektorschaltung, welche in die Monitor- bzw. Kontrollgerätschaltung

ίο gelangen, und die Anordnung der Alarmgrenzen, wenn das Monitorgerät so gestaltet ist, daß es in Abhängigkeit von zwei Signalen entgegengesetzter Vorzeichen und in Abhängigkeit von der Eingangsreihenfolge, in der die Signale erscheinen, arbeitet und F i g. 16 das Verhältnis unterschiedlicher Signale von der phasenempfindlichen Detektorschaltung, welche in die Monitor- bzw. Kontrollgerätschaltung gelangen, und die Gestaltung der Alarmgrenzen, wenn das Monitorgerät zur Analyse von Signalkomponenten mit unterschiedlichen Phasen eingerichtet ist.

Gemäß dem Blockschaltbild von F i g. 1 wird eine Sendespule 2 von einem Tonfrequenzoszillator 1 gespeist. Die Spannung, die in einer Empfängerspule 3 durch das Sekundärfeld des festzustellenden Körpers und des den Körper umgebenden Materials induziert wird, wird einem Signalverstärker 5 zugeführt. Die Phase des Verstärkerausganges ist unabhängig von der Amplitude. Das verstärkte Signal gelangt zu einem phasenempfindlichen oder Kohärenzdetektor 7, in dem eine Komponente mit einem bestimmten Phasenverhältnis zum Senderfeld von dem empfangenen Signal abgetrennt wird. Die Bezugsspannung des Detektors wird von einem Transformator 4 vom Sendekreis geliefert. Nach der Transformierung wird die Spannung verstärkt, und ihre Phase wird, falls erforderlich, korrigiert. Die Spannung wird außerdem zur Verbesserung des Betriebes des Detektors im Gerät 6 in Rechteckwellenform gebracht, bevor sie dem Kohärenzdetektor zugeleitet wird. Die Bezugsspannung kann auch mit einem Reihenwiderstand direkt vom Sendestrom gebildet werden. Die Bezugsspannung kann auch als eine Spannung von den Polen des Senders abgenommen werden oder mit einer gesonderten Spule erzeugt werden, die nahe der Sendespule angeordnet ist. Die von dem Kohärenzdetektor ausgewählte Komponente gelangt weiter zum Monitor bzw. Kontrollgerät 8, in dem ein Alarmsignal 9 (beispielsweise akustisch oder optisch) mittels Niederfrequenzverstärkern, Niveaudetektoren, logischen UND/ODER-Schaltungen und Verzögerungsschaltungen gebildet wird. Dieses Alarmsignal zeigt an, wenn ein Metallkörper festgestellt worden ist und von dem Förderer weggenommen werden muß, notwendigenfalls durch Anhalten des Förderers von Hand oder automatisch. Mit Hilfe einer Hilfsspannung, die von dem Sendekreis in der gleichen Weise wie Bezugsspannung des Detektors erhalten wird, kann jegliche Restspannung des Signalverstärkers aufgehoben werden, wodurch die Leistung der Schaltungsanordnung verbessert werden kann.

Für ein wirksames Arbeiten ist es wünschenswert, daß die Anzahl der von den festzustellenden Körpern erzeugten Alarmsignale, verglichen mit der Anzahl der unerwünschten Alarmsignale, die durch Teile oder Ansammlungen des Erzmaterials erzeugt werden, so groß wie möglich ist, während die Signale, die durch das Sendefeld, die äußeren elektromagnetischen Felder und das gleichartige Umgebungsmaterial in Richtung

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der Bandbewegung auf Null oder zumindest so gering des kleinsten Körpers, der festgestellt werden kann,

wie mölgich gehalten werden sollten. Bei dem erfin- abgeleitet werden können.

dungsgemäßen Detektor werden die erwähnten Grund- In der Praxis haben die festzustellenden Körper

sätze wie folgt durchgeführt: und die Körper bzw. Teile des Umgebungsmaterials

5 unterschiedliche Formen. Jede Form wird durch eine

a) Die korrekte (relativ zum Primärfeld) phasen- Kurvenschar repräsentiert und jede Form und jedes verschobene Komponente des elektromagnetischen Material durch bestimmte Kurven. Die Anzeige Sekundärfeldes, welches von einem festzustellen- basiert auf Kurven, die entweder experimentell oder den Körper erzeugt wird, wird beobachtet bzw. theoretisch für Körper des Umgebungsmaterials, kontrolliert; ₁₀ welche die größte Querkomponente entweder infolge

b) die korrekte Arbeitsfrequenz wird ausgewählt; ihrer Form oder Materialkonstanten bewirken, und -,„....,,., , _n . für die festzustellenden Körper erhalten werden, welche

c) das Pnmarfeld w_ird so gesteuert daß es seme _{Fomen und} Materialeigenschaften haben, welche Richtung ändert, um m dem festzustellenden _{wahrscheinlich am häufi}g_Steil auftreten werden. Aus Korper vorzugsweise unabhängig von seiner Form _{Gründen der übersichtlichkeit wird im fo}ig_enden nur und Position auf dem Forderer eine Wirbelstrom- _{eine Kurve} _zm _{Darstdlung des} Umgebungsmaterials induktion zu erhalten; _{und nuf eine Kurve zur} p_arsten_{ung der} f_estzustellen-

d) die Empfindlichkeit der Empfängerspulen für den Körper benutzt. Die Gesamtsignal-Ortskurven das Sekundärfeld, das durch die Wirbelströme bei der Arbeitsfrequenz für einen Körper des Umgein dem festzustellenden Körper erzeugt wird, 20 bungsmaterials und den festzustellenden Körper sind wird einreguliert, um die von der Form und Po- durch die Bezugszeichen 11 und 12 in F i g. 2 resition des festzustellenden Körpers unabhängige präsentiert, wobei das Symbol k die Größe der Kör-Anzeige zu verbessern; per (entweder Dimension oder Volumen) repräsen-

e) das Spulensystem ist derart ausgelegt, daß das tiert. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist die Kurve Sendefeld homogenes Erzmaterial oder äußere ^ fur das Umgebungsmaterial starker gegenüber der Felder keine Signale bewirken; Inphasekomponentenachse geneigt, als es in Wirklichkeit der Fall ist.

f) die Signalkomponente, die eine korrekte Phase j)_er Kreisbogen 13 gibt das größte Signal wieder, hat, wird in geeigneter Weise analysiert, indem das dem Signalverstärker zugeführt werden kann, die Arbeitsweise des Monitors und die Alarm- _{30 o}h_ne daß eine nichtlineare Verzerrung hervorgerufen grenzen in geeigneter Weise ausgewählt werden. _wj_{rd- D}j_e Verstärkungsfaktoren sind so bemessen,

daß Punkt A des Gesamtsignals, welches den größten

Das Sekundärfeld, das durch einen leitenden Kör- vorkommenden Erzmaterialkörper oder die größtper in einem elektromagnetischen Wechselstromfeld mögliche Anhäufung von Erzmaterialkörpern enterzeugt worden ist, kann in eine Realkomponente, 35 spricht, auf dem Kreisbogen liegt. Der Bogen AC welche in Phase mit dem Primärfeld liegt, und in eine wird halbiert und eine Linie wird durch diesen Haiimaginäre Komponente aufgeteilt werden, die um 90° bierungs- bzw. Mittelpunkt B und den Koordinatenphasen verschoben ist. Die Kurve bzw. der geometrische Ursprungspunkt 0 gezogen. Weitere Linien 15 und 16 Ort des Sekundärfeldvektors je Volumeinheit des das werden parallel zur Linie 14 durch die Punkte A und C Feld hervorrufenden Körpers kann in einem Ko- 40 gelegt. Eine Komponente, die senkrecht zur Ausgangsordinatensystem dargestellt werden, das durch die linie 14 oder zur Phasenlinie liegt, wird als die Komgleichphasigen und Querkomponenten des Feldes, ponente ausgewählt, die überwacht werden soll, worbezogen auf das induzierende Primärfeld, definiert ist. aufhin die gleiche Komponente des durch das Um-Der Parameter entlang jeder Ortskurve ist das Ver- gebungsmaterial erzeugten Signals stets auf der linhältnis zwischen den Dimensionen des Körpers und der 45 ken Seite der Linie 15 bleibt. Der Detektor wird so Eindringtiefe des Feldes (beispielsweise ρ = ~]/δμω;2 R eingestellt, daß sämtliche Körper, deren Komponente für eine Kugel). Das Gesamtfeld kann in ähnlicher der gewählten Phase die rechte Seite der Linie 15 (die Weise durch eine Ortskurve mit der Frequenz oder sogenannte Alarmgrenze) erreicht, eine Anzeige beKörpergröße (= Volumendimension oder charakteri- wirken. Punkt P repräsentiert den kleinsten Körper, stische Dimension) als Parameter dargestellt werden. 50 der festgestellt werden kann.

Entsprechend dem Faradayschen Induktionsgesetz Es können selbst kleinere Körper festgestellt bzw.

ist es vorteilhaft, die Frequenz so hoch wie möglich angezeigt werden, wenn die Linie 15 (Alarmgrenze) auszuwählen. Die Frequenz wird jedoch dadurch be- um den Punkt A gedreht wird, so daß sie die Quergrenzt, daß durch den größtmöglichen Körper des komponentenachse näher zum Koordinatenursprungs-Umgebungsmaterials kein zu großes Signal mit der 55 punkt hin schneidet, als es in F i g. 2 dargestellt ist. erwünschten Phasenverschiebung hervorgerufen wer- Der Schnittpunkt B der Phasenlinie bewegt sich in den sollte. (Der Punkt A in F i g. 2 sollte demzufolge entsprechender Weise nach rechts, und die festzustelnicht zu weit von der Gleichphasenachse entfernt lende bzw. anzuzeigende Komponente weicht weiter liegen.) von der Querkomponente ab. Es ergibt sich daraus

Die Arbeitsfrequenz und die Dimensionen des 60 der in F i g. 3 dargestellte Fall. Die Signale, die innergrößten wahrscheinlich zu erwartenden Körpers des halb des schraffierten Flächenbereiches zwischen der Umgebungsmaterials werden durch einen Punkt auf Realachse und der linken Alarmgrenze 16' liegen, der Gesamtfeldortskurve des Umgebungsmaterials werden durch selbständige Erzmetallkörper-Anhäudargestellt. Eine von diesem Punkt ausgehende, fungen erzeugt, und die Anzahl der durch sie bewirkparallel zur Gleichphasenachse verlaufende Linie 65 ten Alarme kann verringert werden, indem ein geschneidet die Gesamtfeldortskurve des festzustellenden eignetes Überwachungs- bzw. Monitorprinzip ge-Metallkörpers in einem Punkt, der einen bestimmten wählt wird, so wie es weiter unten noch beschrieben Wert des Parameters hat, von dem die Dimensionen wird.

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Im allgemeinen wird eine Anordnung von Spulen mit gestellt. Die Sendespule 22 und Meßspule 23 befinder. Luft- oder Eisenkernen gewählt, um das Primärfeld sich auf verschiedenen Seiten des Förderbandes 24« des Detektors zu erzeugen und das Signal aufzufangen. In diesem Fall sind die durch die festzustellenden Da die Kurven 12 in den F i g. 2 und 3 für Körper Körper verursachten Signale weniger von der Höhenunterschiedlicher Formen voneinander abweichen, 5 stellung der Körper auf dem Band abhängig. Der müssen die Spulen so entworfen sein, daß eine Anzeige Pfeil 25 gibt die Bewegungsrichtung wieder, unabhängig von der Form und der Position des In F i g. 7 zeigt die in vollen Linien dargestellte

Körpers auf dem Förderer stattfindet. Die Richtung Kurve (welche unterhalb der Horizontalebene punkn des Primärfeldes muß sich in Abhängigkeit von der tiert wiedergegeben ist) die Ortskurve des Primär-Position und der Richtung der Materialbewegung io feldvektors entlang der Linie ABC, was der in F i g. 8 verändern, so daß die Quer- oder Fast-Querkompo- dargestellten Sendespule entspricht. Die gestrichelte nente des.von dem festzustellenden Körper erzeugten Kurve gibt die Projektion der Ortskurve des Feldvek-Signals an irgendeiner Stelle des Detektors so groß tors wieder. Die Feld vektoren sind an den Punkten A wie möglich ist. Wenn eine Anzeige beispielsweise und C horizontal und bilden einen Winkel miteinander, von zylindrischen oder länglichen ferromagnetischen 15 während sie am Punkt B nahezu vertikal liegen. Die Körpern erwünscht ist, muß die Richtung des Feldes Art des Feldes bleibt die gleiche, während sich jedoch an irgendeiner Stelle während der Bewegung des die Größe ändert, wenn man sich entlang anderer Körpers parallel oder nahezu parallel zur Längsachse Linien bewegt, die parallel zur. ;Linie A C verlaufen, des Körpers sein, woraufhin der Queranteil des in dem F i g. 8 gibt die Richtung des Sgndestroms in der das Körper induzierten Dipolmomentes am größten ist. 20 Feld gemäß F i g. 7 erzeugenden Sendespule und die In entsprechender Weise soll für eine nichtmagnetische Bewegungsrichtung (Pfeil 25) wieder. _:

Platte das Feld senkrecht oder nahezu senkrecht zur Ein Spulensystem gemäß der Grundbauart kann

Plattenebene sein. auch so ausgestaltet sein, daß beide Spulen 22' und 23'

Bei Anwendung der Erfindung kann das obener- entweder über oder unter dem Förderband (F i g. 9) wähnte Feld mit einer Sendespulenanordnung erzeugt 25 liegen. Da das anzuzeigende Signal in großem Umfang werden, wenn deren Parallelprojektion auf die Ebene von der Vertikalstellung des Körpers abhängt, ist des Förderers derjenigen von F i g. 4 entspricht. Die diese erwähnte Bauart in erster Linie in den Fällen Projöktionen der Spulenströme 18 und 19 sind in den nützlich, bei denen sich die Vertikalposition des fest-Teilen AB und CD so gerichtet, daß die Winkel « zustellenden Körpers nicht wesentlich ändert. Dieses und ß, die sie mit der Richtung der Bewegung bilden, 30 ist dann der Fall, wenn die SchientdickedesUmgebungsan jeder Stelle auf verschiedenen Seiten der Linie 17 materials auf dem Förderband niedrig ist. liegen, welche die Bewegungsrichtung darstellt. Es Die auf den obengenannten Grundsätzen basierende

ist häufig vorteilhaft, wenn der Strom, der in den Spu- Spulenbauart (F ig. 10) mit einer parallelogrammlenteilen, welche den Teilen BC und DA der Projek- förmigen Spulenanordnung ist in konstruktiver Hin_T tion entsprechen, sowenig wie möglich zum Primär- 35 sieht einfach, während jedoch- ihre Empfindlichkeit feld beiträgt, und zwar verglichen mit dem Beitrag auf querliegende Körper über weite Bereiche in der der den Projektionen AB und CD entsprechenden Mitte des Förderbandes begrenzt ist. Diese Bauart Teile. ist in erster Linie für schwach leitende Umgebungen

F i g. 5 gibt eine auf die Ebene des Förderers ge- materialien geeignet, wenn selbst ein geringfügiges richtete Parallelprojektion einer Meßspule wieder, 40 Signal, welches durch einen querliegenden Körper die entsprechend dem gleichen Prinzip wie oben ge- erzeugt wird, die Anzeige gewährleistet, staltet ist. Die Spannung, die in der aus zwei Schleifen Die Höhenabhängigkeit des Signals des festzustellenbestehenden Spule induziert wird, verursacht einen den Körpers ebenso wie die Veränderungen der ho-Stromfluß in der Spule. Die Projektionen 18' und 19' rizontalen und vertikalen Komponenten des Primärder Stromrichtungen in den Teilen AB und EF 45 feldes können auf vielfältige Weise verändert werden, bilden zusammen mit der Bewegungsrichtung auf der Die Sende- und Empfängerspulenteile können dem_T gleichen Seite der die Bewegungsrichtung darstellen- entsprechend in einer erwünschten und zweckmäßigen den Linie 17 die Winkel «' und ß'. Die Projektionen Weise über und unter dem Förderband verteilt werden^ 20' und 21' liegen parallel oder nahezu parallel zu Eine derartige, gemäß den Grundsätzen der Erden Projektionsteilen CD und HG und bilden mit der 50 findung gestaltete ebene Spulenanordnung ist in Bewegungsrichtung den Winkel /, und zwar auf der Fig. 11 dargestellt. Um in den Meß- bzw. Empfänden Projektionen 18' und 19' gegenüberliegenden gerspulen 27, 27' eine Spannung zu verhindern, die Seite der Linie 17. durch das Primärfeld der Sendespuleo 26 und 26'

Es ist häufig vorteilhaft, wenn der Beitrag der erzeugt wird, ist es notwendig, daß die Sende- und Spulenteile, welche den Projektionen BC, DE, FG und 55 Empfängerspulen einen gemeinsamen Flächenbereich HA entsprechen, zum Meßstrom klein ist, verglichen haben, so daß die Sendefeldkraftflüsse durch die mit dem Beitrag der Spulenteile, welche den Projek- Flächenbereiche I und II von gleicher Größe und ent? tionen AB, CD, EF und GH entsprechen. Die beiden gegengesetzter Richtung (F i g. 12) sind. Die gleiche Schleifen der Spule müssen so ausgelegt sein, daß die Bedingung sollte gleichzeitig für die oberen und unSpannungen, die durch das Sendefeld, die gleich- 60 teren Spulen gültig sein.

gerichteten äußeren Felder und eine gleichmäßige Die Signale von den Empfängerspulen müssen für

Schicht des Umgebungsmaterials induziert werden, erhöhte Empfindlichkeiten addiert werden, wodurch sich in der Meßspule gegenseitig aufheben. die Signale, die durch das gleichartige bzw. homogene

In der Praxis ist es häufig vorteilhaft, die Spulen Umgebungsmaterial und die äußeren Felder verur_r gemäß den F i g. 4 und 5 so zu entwerfen, daß die 65 sacht werden, nicht automatisch gegeneinander ,aufProjektionen und die entsprechenden Spulen aus gehoben werden. Wenn die Sende- und Empfangsgeraden Teilen bestehen. Ein erfindungsgemäßer, spulen jedoch so angeordnet sind, daß sie nicht eines ebener Spulenaufbau dieser Art ist in Fig. 6 dar- gemeinsamen Flächenbereich (Flächenbereich J = 0)

haben, muß die Differenz der Signale von den Empfängerspulen angezeigt werden, um ein Nullsignal zu erhalten, welches durch das Primärfeld, eine homogene Umgebungsmaterialschicht und homogene äußere Felder hervorgerufen wird. Das durch den festzustel- !enden Körper verursachte Signal ist, verglichen mit den vorher beschriebenen Anordnungen, gering, und es hängt außerdem in großem Umfang von der Vertikal- und Horizontalposition des Körpers auf dem Förderband ab. Die Verwendung einer solchen An-Ordnung ist auf Fälle mit großen Leitfähigkeitsunterschieden beschränkt, wenn die Signale des Umgebungsmaterials klein sind. Die festgestellte und verstärkte Signalkomponente mit korrekt gewählter Phase wird unter Verwendung von Niveaudetektoren, logischen Schaltungen und Verzögerungsschaltungen wie folgt analysiert:

Gemäß der Bauart des Spulensystems haben die Signale des festzustellenden Körpers unterschiedliche Vorzeichen, wenn der Körper sich unterhalb der verschiedenen Schleifen der Meßspule befindet. Das bereits obengezeigte und erläuterte Anzeigebild ist demzufolge zu vervollständigen, so daß es nunmehr, bezogen auf den Koordinatenursprungspunkt, symmetrisch ist (F i g. 13). Das einfachste Monitor- bzw. as Kontrollgerätsystem verwendet die Signale, welche, ausgehend von der Phasenlinie 14, nur die positive Alarmgrenze 15 kreuzt, während die Informationen, welche von der weiteren Schleife des Empfängers stammen, nicht benutzt werden. Gemäß Fig. 13 hat das Signal A ein Alarmsignal zur Folge, was bei den Signalen B bis F nicht der Fall ist.

Gemäß einem anderen Arbeitsprinzip des Monitors bleibt die Linie 14 die Basis- oder Phasenlinie, während die Linie 15 jetzt die positive und die Linie 16 die negative Alarmgrenze wird (F i g. 14).

Ein Alarmsignal wird entweder gebildet, wenn das erste positive Signal die positive Alarmgrenze (Fall A) oder wenn das zweite negative Signal die negative Alarmgrenze (Fall B) kreuzt. Die Fälle C bis F ergeben keine Alarme.

Es ist leichter, den auf dem Förderband festgestellten Körper zu finden, wenn das Signal von der ersten Hälfte der Meß- bzw. Empfängerspule, verglichen mit den von der zweiten Hälfte, zeitlich verzögert ist. Die Längsposition des Körpers auf dem angehaltenen Förderband ist im wesentlichen unabhängig von dem Punkt der Anzeigespule, an dem das Alarmsignal gebildet worden ist.

Wenn das Verfahren gemäß F i g. 3 benutzt wird, um selbst kleinere Körper festzustellen, dann muß man sich vergewissern, daß die Signale, welche der schraffierten Fläche in Fig. 15 entsprechen, kein Alarmsignal ergeben. Dies kann dadurch geschehen, daß man den Betrieb des Monitors auf der Größenordnung der Signale aufbaut, die von der ersten und zweiten Schleife der Meßspule kommen und die Alarmgrenzen kreuzen.

Das positive Signal A (Fig. 15) von dem ersten Spulenteil öffnet eine elektronische Gatterschaltung. Ein folgendes negatives Signal B (F i g. 15) geht durch das Gatter und bewirkt ein Alarmsignal.

Die Signale C und D bewirken keine Anzeige, da sie unterhalb der Alarmgrenze bleiben; die Signale E und F bewirken ebenfalls keine Anzeige, da ein zuerst ankommendes negatives Signal E nicht die Gatterschaltung aktiviert. Um die Situation auszuschalten, in der ein Signal F und ein Signal E von einem anderen, folgenden Körper des Umgebungsmaterials eine falsche Anzeige ergeben könnten, ist es möglich, den Einfluß des aktivierenden positiven Signals entweder von außen oder automatisch zu eliminieren, wenn das für die Anzeige notwendige negative Signal nicht innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls erscheint, welches von der Förderbandgeschwindigkeit abhängig ist.

Ein viertes Monitorprinzip besteht darin, zwei Phasendetektoren zu verwenden, welche zwei unterschiedlichen Komponenten mit einem geringfügigen Phasenunterschied entsprechen (typischerweise 5 bis 20°). Die beiden Phasenlinien 14 und 14' (F ί g. 16) müssen so ausgewählt werden, daß das Umgebungsmaterial stets Signale entgegengesetzter Vorzeichen (Fälle C und D in F i g. 16) in dem Detektor erzeugt, während die Signale von einem festzustellenden Körper das gleiche Vorzeichen haben (Fälle A und B in F i g. 16). Der Monitor bzw. das Kontrollgerät ist derart geschaltet, daß ein Alarm nur dann gegeben wird, wenn Signale gleichen Vorzeichens gleichzeitig von beiden Phasendetektoren empfangen werden.

Um die Möglichkeit zu verringern, daß unerwünschte bzw. falsche Signale einen Alarm erzeugen, kann es notwendig sein, in Verbindung mit der Phasenlinie 14' (F i g. 16) eine Alarmgrenze zu bestimmen. Wenn die Information von der zweiten Empfängerspule ebenfalls benutzt wird, muß eine weitere Alarmgrenze entgegengesetzten Vorzeichens genau in der Weise in das System eingeführt werden, wie es in Verbindung mit Fig. 14 beschrieben worden ist.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum elektromagnetischen Feststellen von elektrisch leitenden Körpern in einem auf einem Förderband bewegten Material mit gerin» gerer elektrischer Leitfähigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines stationären Spulensystems ein elektromagnetisches Nieder» frequenz-Primärfeld erzeugt wird, das seine Richtung und Amplitude positionsabhängig ändert, so daß dann, wenn ein festzustellender Körper sich durch das Primärfeld hindurchbewegt, die 3| Feldrichtung mindestens an einem Punkt entlang ^ der Bewegungslinie des Körpers eine Komponente in Richtung des Körpers hat, die ausreichend groß ist, um ein meßbares Sekundärfeld unabhängig von der Form, Richtung oder Position des Körpers auf dem Förderband zu erzeugen, daß eine (relativ zum Primärfeld) phasenverschobene Komponente des von dem festzustellenden Körper und dem Umgebungsmaterial in dem Primärfeld erzeugten Sekundärfeldes beobachtet wird, wobei diese Phasenverschiebung so ausgewählt ist, daß die beobachtete Komponente in der Größe für den festzustellenden Körper und das Umgebungsmaterial infolge unterschiedlichen Leitvermögens von Körper und Umgebungsmaterial unterschiedlich ist, wobei ein Empfangsspulensystem verwendet wird, so daß der festzustellende Körper, wenn er sich an dem bevorzugten Punkt des Primärfeldes befindet, gleichzeitig eine bevorzugte Position und Richtung zu dem signalerzeugenden Teil des Empfangsspulensystems einnimmt, und daß ein der phasenverschobenen Komponente proportionales Signal elektronisch mit mindestens einem vorgegebenen Grenzwert verglichen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durch Wirbelströme und Magnetisierung, die in dem Metallkörper und dem Umgebungsmaterial durch da« Primärfeld induziert werden, erzeugte Komponente des Sekundärfeides gesteuert bzw. überwacht wird, die um 90^e oder annähernd 90° außer Phase mit dem Primärfeld ist, oder daß eine dieser Komponente proportionale Größe beobachtet wird.

3. Verfahren zum elektromagnetischen Fest- i« stellen von elektrisch leitenden Körpern in einem auf einem Förderband bewegten Material mit geringerer elektrischer Leitfähigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines stationären Spulensystems ein elektromagnetisches Niederfrequenz-Primärfeld erzeugt wird, das seine Richtung und Amplitude positionsabhängig ändert, so daß dann, wenn ein festzustellender Körper sich durch das Primärfeld hindurchbewegt, die Feldrichtung mindestens an einem Punkt entlang der Bewegungs- *© linie des Körpers eine Komponente in der Richtung einer bevorzugten Wirbelstrominduktion des Körpers hat, die ausreichend groß ist, um ein meßbares Sekundärfeld unabhängig von der Form, Richtung oder Position des Körper« auf dem För- «5 derband zu erzeugen, daß zwei phasenverschobene Komponenten des von dem festzustellenden Körper und dem Umgebungsmaterial in dem Primärfeld erzeugten Sekundärfeides beobachtet werden, wobei diese Phasenverschiebungen relativ zum Primärfeld für die beiden zu beobachtenden Komponenten unterschiedlich und so ausgewählt sind, daß zwei Komponenten des festzustellenden Körpers jeweils das gleiche Vorzeichen haben, während die beiden Komponenten f ü das Umgebungsmate- 3S rial infolge unterschiedlichen Leitvermögens von Körper und Umgebungsmaterial entgegengesetzte Vorzeichen aufweisen, wobei ein Empfangespulensystem verwendet wird, so daß der festzustellende Körper, wenn er sich an dem bevorzugten Punkt des Primärfeldes befindet, gleichzeitig eine bevorzugte Position und Richtung zu dem signalerzeugenden Teil des Empfangsspulensystems einnimmt.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch ein aus einer oder mehreren Spulen gebildetes Spulensystem (2 bzw. 22 bzw. 22' bzw. 26), um ein Primärfeld zu erzeugen, das seine Richtung und Amplitude als Funktion der Position ändert, so daß dann, wenn sich ein festzustellender Körper durch das Primärfeld hindurehbewegt, die Feldrichtung mindestens an einem Punkt der Bewegungslinie des Körpers eine Komponente in Richtung der bevorzugten Wirbelstrominduktion des Körpers hat, die ausreichend groß ist, um ein meßbares Sekundärfeld, unabhängig von der Form, Richtung und Position des Körpers, auf dem Förderband (24) zu erzeugen, und um ein Signal aufzunehmen, das in einem Empfängerspulensystem (3 bzw. 23 bzw. 23' bzw. 27) durch das Sekundärfeld von dem Körper an dem bevorzugten Punkt des Primärfeldes induziert worden ist; einen Signalverstärker (5), um dieses induzierte Empfangssignal zu verstärken; einen phasenempfindlichen Detektor bzw. Gleichrichter (7), der auf der Frequenz des Senders (2 bzw. 22 bzw. 22' bzw. 26) arbeitet, um ein Signal zu erzeugen, das proportional der Sekundärfeldkomponente ist, die relativ zum Primärfeld eine vorgegebene Phasenverschiebung hat, und ein Monitor- bzw. Kontrollgerät (8), welches dieses Signal elektronisch mit mindestens einem vorgegebenen Grenzwert vergleicht und ein Alarmsignal abgibt, welches das Vorhandensein eines Metallkörpers auf dem Förderband (24) anzeigt.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch ein aus einer oder mehreren Spulen gebildetes Spuleneystem (2 bzw. 22 bzw. 22' bzw. 26), um ein Primärfeld zu erzeugen, das seine Richtung und Amplitude als Funktion der Position ändert, so daß dann, wenn sich ein festzustellender Körper durch das Primärfeld hindurchbewegt, die Feldrichtung mindestens an einem Punkt der Bewegungslinie des Körpers eine Komponente in Richtung der bevorzugten Wirbelstrominduktion des Körpers hat, die ausreichend groß ist, um ein meßbares Sekundärfeld, unabhängig von der Form, Richtung und Position des Körpers, auf dem Förderband (24) zu erzeugen, und um ein Signal aufzunehmen, das in einem Empfängerspulensystem (3 bzw. 23 bzw. 23' bzw. 27) durch dae Sekundärfeld von dem Körper an dem bevorzugten Punkt des Primärfeldes induziert worden ist; einen Signalverstärker (5), um dieses induzierte Empfangesignal zu verstärken; zwei phasenempfindliche Detektoren bzw. Gleichrichter (7), die auf der Frequenz des Senders (2,22, 22', 26) arbeiten, um Signale zu erzeugen, die proportional den beiden Komponenten des Sekundärfeldes sind, welche unterschiedliche vorgegebene Phasenverschiebungen relativ zum Primärfeld haben, und ein Monitor- bzw. Kontrollgerät (8), welche« diese von dem Detektor bzw. Gleichrichter (7) kommenden Signale elektronisch vergleicht und ein Alarmsignal abgibt, welches das Vorhandensein eines Metallkörper« auf dem Förderband (24) anzeigt, wenn diese Signale gleiche Vorzeichen haben.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß es ein Sendespulensystem (2 bzw. 22 bzw. 22' bzw. 26) und ein Empfängerspulensystem (3 bzw. 23 bzw. 23' bzw. 27) aufweist, die so angeordnet sind, daß die gesamte von dem Sendespulensystem induzierte Spannung in dem Empfängerspulensystem gleich Null ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Luftkernsendespule mit einer oder mehreren Windungen aufweist, die so gestaltet ist, daß diejenigen Teile der Parallelprojektionen des Sendespulenstromes auf die Förderbandebene, welche das Förderband schneiden, an jedem Punkt einen spitzen Winkel auf entgegengesetzten Seiten der Linie bilden, welche die Richtung der Förderbandbewegung anzeigt, und daß der Teil des Primärfeldes auf dem Förderband, der durch die Spulenteile erzeugt wird, die die Spulenteile verbinden, welche den das Förderband schneidenden Projektionen entsprechen, im wesentlichen das Feld auf dem Förderband nicht verändern, das durch die Spulenteile erzeugt wird, während Projektionen das Förderband schneiden.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Empfängerspule mit einer oder mehreren Windungen in Form

von solchen Schleifen aufweist, daß die äußersten Bereiche der das Förderband schneidenden Teile der Parallelprojektion der Empfängerspule auf die Förderbandebene sich nahezu oder ganz mit den das Förderband schneidenden Teilen der Parallel-Projektionen der Sendespule überdecken, daß die Richtungen der Projektionen des Stromes in den genannten Empfängerspulenteilen an jedem Punkt auf der gleichen Seite der die Förderbandbewegungsrichtung repräsentierenden Linie Winkel bilden, und daß die Schleifen der Empfängerspule so gewickelt und gekoppelt sind, daß der Einfluß eines sich auf dem Förderband (24) bewegenden Körpers auf die Teile der Empfängerspule, welche die Empfängerspulenteile verbinden, deren Projektionen das Förderband schneiden, nicht wesentlich den Einfluß verändert, der in den Empfängerspulenteilen erzeugt wird, deren Projektionen das Förderband schneiden.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Parallelprojektionen der Sende- und Empfängerspulen auf die Förderbandebene senkrecht erfolgen.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis

9, dadurch gekennzeichnet, daß die Parallelprojektionen auf die Förderbandebene der gemeinsamen Kontur der Sende- und Empfängerspulenschleifen die Form von Trapezen haben, deren Parallelseiten parallel oder nahezu parallel zur Förderbandbewegungsrichtung liegen.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Sende- und Empfängerspulen zylindrische Oberflächen mit einer Querschnittskurve zweiten Grades bilden.

12. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 10, gekennzeichnet durch flache (ebene) Sende- und Empfängerspulen.

13. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen Teile einer Wechselstrombrücke bilden, so daß jede Spule sowohl als Sender als auch als Empfänger arbeitet.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine Spulenkonstruktion verwendet wird, bei der eine äquivalente Anordnung, gebildet aus einer oder mehreren Eisenkernspulen, gegen eine oder mehrere der Luftkernspulen oder Teile dieser Spulen ausgetauscht ist.

15. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 14, gekennzeichnet durch ein Monitor- bzw. Kontrollgerät (8), welches ein Alarmsignal abgibt, wenn die Amplitude der zu beobachtenden bzw. überwachenden Komponente einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 14, gekennzeichnet durch ein Monitor- bzw. Kontrollgerät (8), welches ein Alarmsignal abgibt, wenn die Amplitude der zu beobachtenden bzw. zu überwachenden Komponente einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet oder unter einen anderen vorgegebenen Grenzwert entgegengesetzten Vorzeichens fällt. m

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 14, gekennzeichnet durch ein Monitor- bzw. Kontrollgerät (8), welches ein Alarmsignal abgibt,, wenn die Amplitude des Signals, welches dann erzeugt wird, wenn der festzustellende Körper eine der im Anspruch 8 erwähnten Empfängerspulenschleifen passiert, einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, und wenn auf dieses Signal innerhalb einer bestimmten Zeit, welche von der Geschwindigkeit des Förderbandes (24) abhängt, ein zweites Signal entgegengesetzten Vorzeichens folgt, das dann erzeugt wird, wenn der festzustellende Körper die andere Empfängerspulenschleife passiert und die Amplitude dieses zweiten Signals unter einen bestimmten Grenzwert mit einen den zuerst genannten Grenzwert entgegengesetzten Vorzeichens fällt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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