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Meta lldetektor
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Die Erfindung betrifft einen Metalldetektor mit einem Differenzübertrager,
welcher zur Erzeugung eines gerichteten magnetischen Wechselfeldes eine aus einer
Wechselspannungsquelle gespeiste Sendespulenanordnung aufweist, die so ausgebildet
ist, daß sich bei ungestörtem Feld für eine Empfangsspule, in welche bei einer Störung
des Feldes durch einen Metallgegenstand eine Spannung induziert wird, ein Null-Abgleich
ergibt, bei dem die resultierende Spannung zumindest nahezu Null ist und mit einer
Auswerteschaltung für die in die Empfangsspule induzierte Spannung.
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Ein derartiger Metalldetektor ist in der US-PS 3 471 773 beschrieben
und besitzt eine Sendespulenanordnung, welche aus einer einzigen Sendespule besteht,
die jedoch nicht in üblicher Weise als pingspule ausgebildet ist, sondern in der
Draufsicht die Form eines stark gekrümmten Halbmondes aufweist bzw.
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eine Kreisform mit einer tiefen Einbuchtung, deren am weitesten
innen
liegender Punkt etwa über dem Mittelpunkt des außen liegenden, nicht ganz geschlossenen
Kreises liegt.
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Durch diese Spulenform soll für eine konzentrisch zum Mittelpunkt
des äußeren Kreises angeordnete Empfangsspule bei ungestörtem Feld eine induzierte
Spannung erreicht werden, die, wenn überhaupt, von Null nur wenig abweicht. Nachteilig
an der bekannten Spulenanordnung, die in ähnlicher Weise auch bei anderen bekannten
Metalldstktoren, beispielsweise gemäß der DE-OS 19 61 540 verwirklicht ist, ist
es, daß die Sendespule nicht in üblicher Weise gewickelt werden kann, sondern in
eine relativ komplizierte Form gelegt werden muß, so daß sich vergleichsweise hohe
Herstellungskosten ergeben. Noch schwerwiegender ist dabei der Nachteil, daß die
beim Wickeln der komplizierten Sendespule zwangsläufig auftretenden Toleranzen bei
dem bekannten Metalldetektor nicht kompensiert werden können, so daß in vielen Fällen
eine von Null abweichende induzierte Ausgangsspannung der Empfangsspule in Kauf
genommen werden muß, was letztlich eine verringerte Ansprechempfindlichkeit des
Metalldetektors zur Folge hat.
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Ausgehend vom Stande der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
einen verbesserten Metalldetektor der eingangs beschriebenen Art anzugeben, bei
dem die Sendespulenanordnung einfach und billig hergestellt werden kann und bei
dem außerdem einfache Möglichkeiten für einen exakten Null-Abgleich hinsichtlich
der bei ungestörtem Feld in die Empfangs spule induzierten Spannung besteht.
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Diese Aufgabe wird bei einem Metalldetektor der eingangs beschriebenen
Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Sendespulenanordnung aus mindestens
zwei unabhängig voneinander aus der Wechselspannungsquelle gespeisten Sendespulen
aufgebaut ist, deren Erregung zum Herbeiführen eines Null-Abgleichs an der Empfangsspule
bei ungestörtem Feld eingestellt ist, wobei es besonders vorteilhaft ist, wenn die
Sendespulen als konzentrische, gleichsinnig durchflossene Ringspulen ausgebildet
sind, deren Erregerströme zur Herbeiführung eines Null-Abgleichs für die Empfangsspule
aufeinander abgestimmt sind.
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Der entscheidende Vorteil des erfindungsgemäßen Metalldetektors bzw.
- genauer gesagt - der neuartigen Sendespulenanordnung eines solchen Metalldetektors
besteht darin, daß anstelle einer einzigen, komplizierten Sendespule zwei einfache
Feldspulen verwendet werden können, in denen der Stromfluß insbesondere mittels
Potentiometern, so eingestellt werden kann, daß sich der gewünschte Null-Abgleich
für die Empfangsspule ergibt. Der erfindungsgemäße Metalldetektor ist damit nicht
nur einfacher und billiger, sondern zugleich wesentlich genauer als die Metalldetektoren
gemäß dem Stande der Technik. Daher ergibt sich aufgrund der vergleichsweise geringen
Herstellungskosten und der hohen Genauigkeit die besonders vorteilhafte Möglichkeit,
einen Metalldetektor gemäß der Erfindung in industriellen Überwachungseinrichtungen
als
Näherungsschalter einzusetzen.
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Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn bei einem Metalldetektor
gemäß der Erfindung auf der einen Seite der Sendespulen, die in einer Ebene mit
der Empfangsspule angeordnet sind, eine Platte aus magnetisierbarem Material, insbesondere
eine Ferrit-Platte, angeordnet wird, wodurch sich ein starker Richtcharakter des
von den Sende spulen auf ihrer von der Ferrit-Platte abgewandten Seite erzeugten
magnetischen Wechselfeldes ergibt.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend
anhand von Zeichnungen noch näher erläutert und/oder sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Es zeigen: Fig. 1 ein Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform eines Metalldetektors
gemäß der Erfindung; Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf die Spulenanordnung
eines Metalldetektors gemäß der Erfindung; Fig. 3 einen Querschnitt durch eine Spulenanordnung
eines erfindungsgemäßen Metalldetektors, wobei die Form des von den Sende spulen
erzeugten magnetischen Wechselfeldes angedeutet ist;
Fig. 4 ein
elektrisches Schaltbild der Spulenanordnung eines erfindungsgemäßen Metalldetektors
und Fig. 5 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Funktion eines Differenzübertragers
für einen Metalldetektor gemäß der Erfindung.
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In einzelnen zeigt Fig. 1,daß bei einem Metalldetektor gemäß der Erfindung
der Differenzübertrager 10, welcher im Betrieb ein gerichtetes Hochfrequenzfeld
erzeugt, und zwar ein magnetisches Wechselfeld,aus einer Wechselspannungsquelle
12 bzw. einem Generator gespeist wird.
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Mit dem Ausgang des Differenzübertragers 10, d.h. mit den Anschlüssen
der Empfangsspule, ist eine Verstärker-und Demodulatorschaltung 14 verbunden, an
die sich ausgangsseitig eine Kippstufe und ein Schaltverstärker anschließen, die
in Fig. 1 zu einem Block 16 zusammengefasst sind. Da der Generator 12, die Verstärker-
und Demodulatorschaltung 14 und die Kippstufe sowie der Schaltverstärker des Blockes
16 in üblicher Weise ausgebildet werden können, soll auf die entsprechenden Schaltungen
hier nicht näher eingegangen werden. Vielmehr soll hier der Hinweis auf die bereits
eingangs erwähnte US-PS 3 471 773 genügen.
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Fig. 2 zeigt eine detaillierte Darstellung des Differenzübertragers
bzw. der Spulenanordnung 10 des
erfindungsgemäßen Metalldetektors.
Man erkennt, daß die von dem Generator 12 erzeugte Wechselspannung an eine äußere,
kreisringförmige Sendespule 18 und an eine innere, kreisringförmige Sendespule 20
angelegt wird.
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Man erkennt, daß die beiden Sendespulen 18, 20 konzentrisch zueinander
angeordnet sind und daß zwischen ihnen eine Empfangsspule 22 liegt, die ebenfalls
konzentrisch zu den beiden Sendespulen 18, 20 angeordnet ist. Die Speisung der Sendespulenanordnung
18, 20 erfolgt über die mit dem Generator 12 bzw. mit der Wechselspannungsquelle
verbundenen Spulenanschlüsse 24, 26 derart, daß die beiden Sendespulen 18, 20 gleichsinnig
durchflossen werden, wobei in Reihe zu jeder Spule 18, 20 ein Potentiometer 28 bzw.
30 geschaltet ist. Mit Hilfe der Potentiometer 28, 30 können die Ströme in den Sendespulen
18, 20 unabhängig voneinander so eingestellt werden daß bei ungestörtem Feld keine
Spannung in die Empfangsspule 22 induziert wird. Die Einstellung der Potentiometer
28, 30 erfolgt also derart, daß sich zwischen den beiden Spulenanschlüssen 32, 34
der Empfangsspule so lange die Spannung Null ergibt, wie sich kein Metallgegenstand
in dem von den Sendespulen 18, 20 erzeugten, gerichteten magnetischen Wechselfeld
befindet.
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Gemäß Fig. 3 der Zeichnung lässt sich eine besonders ausgeprägte Richtcharakteristik
des von den Sendespulen 18, 20 des Differenzübertragers 10 gemäß Fig. 2 erzeugten
magnetischen Wechselfeldes dadurch erreichen, daß man auf der einen Seite der in
einer Ebene angeordneten
Spulen 18 bis 22 eine Metallplatte, insbesondere
eine Ferrit-Platte 36 anbringt. Aus den in Fig. 3 eingezeichneten Feldlinien wird
dabei deutlich, daß durch die Anbringung der Metallplatte- 36 eine außerordentlich
starke Ausrichtung des Feldes auf der von der Platte 36 abgewandten Seite der Spulenanordnung
erreicht wird.
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Fig. 4 zeigt ein Schaltbild des Differenzübertragers 10 des erfindungsgemäßen
Metalldetektors, wobei dieses Schaltbild durch den Generator 12 mit seinem getrennt
dargestellten Innenwiderstand bzw. einem gegebenenfalls vorzusehenden Vorwiderstand
38 ergänzt ist. Dabei ist für die beiden Sendespulen 18, 20 der Wicklungssinn in
üblicher Weise durch einen Punkt an der betreffenden Wicklung angedeutet.
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Die Funktion des Differenzübertragers eines erfindungsgemäßen Metalldetektors
soll nachstehend anhand von Fig. 5 näher erläutert werden. Fig. 5 zeigt einen Querschnitt
durch zwei gleichsinnig von einer Wechselspannung durchflossene Spulen, welche der
äußeren Sendespule 18 und der inneren Sendespule 20 entsprechen. Dabei sind die
Feldlinien der inneren Spule gestrichelt eingezeichnet, während die Feldlinien der
äußeren Spule als punktierte Linien eingezeichnet sind. Man erkennt, daß sich der
magnetische Fluß bzw. die Feldlinien im inneren der inneren Spule 20 gleichsinnig
überlagern, daß jedoch die Richtung der magnetischen Feldlinien
in
dem Bereich zwischen der äußeren Spule 18 und der inneren Spule 20 entgegengesetzt
ist. In diesem Bereich findet sich eine Stelle, an der der von der äußeren Spule
18 erzeugte magnetische Fluß entgegengesetzt gleich zu dem dort von der inneren
Spule 2Q erzeugten magnetischen Fluß ist. An dieser Stelle wird nun bei dem Differenzübertrager
gemäß der Erfindung die Empfangsspule 22 angeordnet. Wegen der unvermeidlichen Toleranzen
bei der Fertigung der einzelnen Spulen 18 bis 20 und bei der Montage der Spulenanordnung
bzw. des Differenzübertragers 10 wird dabei so vorgegangen, daß die Empfangsspule
22 aufgrund ihrer Abmessungen und ihrer Ausrichtung im wesentlichen bereits die
richtige Lage einnimmt. Der Null-Abgleich bzw. die Feinabstimmung, mit der die bei
ungestörtem Feld in die Empfangs spule 22 induzierte Spannung tatsächlich zu Null
gemacht wird, erfolgt dann bei der erfindungsgemäßen Anordnung mit Hilfe der Potentiometer
28, 30. Wenn die Spulenanordnung in dieser Weise abgestimmt und vorzugsweise noch
mit der Ferrit-Platte 36 versehen ist (Fig. 3), dann führt eine Störung des Feldes
durch einen Metallgegenstand, insbesondere durch einen ferro-magnetischen Gegenstand,
welcher in das magnetische Wechselfeld hineinbewegt wird, dazu, daß an der Empfangsspule
22 ein resultierender magnetischer Fluß -wirksam wird, der zur Entstehung einer
Ausgangsspannung zwischen den Spulenklemmen 32 und 34 führt. Diese Ausgangsspannung
kann
nun mittels der Verstärker-und Demodulatorschaltung 14 verstärkt
und demoduliert bzw. gleichgerichtet werden. Die verstärkte, demodulierte Spannung
wird dann an eine Kippstufe angelegt, welche von einem ersten in einen zweiten Zustand
kippt, wenn die ihr zugeführte Spannung einen vorgegebenen Schwellwert erreicht
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überschreitet, wenn also eine vorgegebene Mindeststörung des magnetischen
Wechselfeldes festgestellt wird. Das Ausgangssignal der Kippstufe kann nunmehr gegebenenfalls
noch mit Hilfe eines Schaltverstärkers verstärkt werden (Block 16), um geeignete
Signale auszulösen, beispielsweise optische oder akustische Signale, die den Benutzer
des Metalldetektors auf das Vorhandensein eines im Boden befindlichen Metallgegenstandes
aufmerksam machen. Wenn der Metalldetektor als Näherungsschalter eingesetzt wird,
dann können von dem Schaltverstärker bzw. vom Ausgang der Kippstufe entsprechende
Steuersignale für eine Maschinensteuerung abgegriffen werden.
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Ergänzend sei noch darauf hingewiesen, daß ein Metallelement, welches
in das gerichtete Hochfrequenzfeld des erfindungsgemäßen Differenzverstärkers eindringt,
in erster Näherung nur das von der äußeren Sendespule 18 erzeugte Feld stört und
damit die magnetische Kopplung zwischen der äußeren Sendespule 18 und der Empfangsspule
22 verändert, während die Kopplung zwischen der inneren Sende spule 20 und der Empfangsspule
22 im wesentlichen unverändert bleibt. Dieser Zusammenhang
wird
aus den Feldlinien-Darstellungen gemäß Fig. 3 und 5 ohne weiteres deutlich. Ferner
erkennt man, daß die in die Empfangs spule 22 induzierte Spannung gleich dem Produkt
aus der Windungszahl dieser Spule und dem resultierenden magnetischen Fluß durch
diese Spule ist, der sich aus der Summe der beiden entgegengesetzt gerichteten magnetischen
Flüsse ergibt, die von den beiden Sendespulen erzeugt werden.
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