DE69935792T2 - Induktive Sensoranordnung und Verfahren zur Erfassung von eisernen Objekten - Google Patents

Induktive Sensoranordnung und Verfahren zur Erfassung von eisernen Objekten Download PDF

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine induktive Sensoranordnung zum Erfassen eines in einem umgebenden Medium vergrabenen eisenhaltigen Objekts, die ein Feldspulenpaar zum Erzeugen eines in das Medium eindringenden magnetischen Wechselflussfeldes und eine Erfassungsspule zum Erfassen von Magnetflussfeld-Störungen, die gegebenenfalls durch das eisenhaltige Objekt hervorgerufen werden, umfasst.
  • Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren und auf seine Anwendung in einem handgehaltenen Maschinenwerkzeug zum Erfassen eines in einem umgebenden Medium verborgenen eisenhaltigen Objekts durch die Verwendung der induktiven Sensoranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Metalldetektoren arbeiten gewöhnlich, indem die Änderung eines gewählten Parameters gemessen wird, wenn eine Bedienperson mit einem Erfassungskopf eine interessierende Oberfläche eines Mediums überstreicht, in dem ein störendes Metallteil verborgen sein könnte. Der Parameter könnte die Kapazität, die Induktivität oder ein anderer physikalischer Parameter sein, der eine Unterscheidung eines Materials von einem anderen ermöglicht.
  • Diese Forderung kann außerdem bestehen, um Verstärkungsstäbe (die im Folgenden als V-Stäbe bezeichnet werden), die gewöhnlich eisenhaltige Materialien enthalten, zu finden, die in Medien wie Beton, Mauerziegeln, Putz und dergleichen eingebettet sind. Es gibt handelsübliche Detektoren, die diese Forderung erfüllen können, genaue Detektoren müssen jedoch die Oberfläche des Mediums, z. B. des Betons, überstreichen. Durch eine derartige "Überstreichbewegung" ist der Detektor in der Lage, aus dem empfangenen Antwortsignal die Position und die (Längen-) Richtung des verborgenen Objekts, z. B. des V-Stabs zu bestimmen. Der Metallerstreckungsbereich kann entweder automatisch, wobei ein verhältnismäßig kompliziertes System erforderlich ist, oder manuell bestimmt werden. Bei einer manuellen Bestimmung ist es übliche Praxis, auf der Oberfläche des Mediums die Überdeckung und die Richtung des V-Stabs manuell zu markieren. Es erübrigt sich zu erwähnen, dass dieses manuelle Abtasten und Bestimmen nicht nur zeitaufwändig ist, sondern außerdem bestimmte Erfahrungen und Kenntnisse des Benutzers oder der Bedienperson erfordert.
  • Das Patent US-5.729.143, das gegenwärtig als der nächste Stand der Technik betrachtet wird, beschreibt einen Metalldetektor, der eine Empfangsspule und eine Sendespule enthält, die mit parallelen überlappenden Windungsebenen angeordnet und in einer induktiven Brücke verbunden sind. Dies ist ein typisches Beispiel eines Metalldetektors, der spezielle Erfahrungen und Kenntnisse der Bedienperson zum Interpretieren der Signalantwort erfordert. Das Patent DE 196 48 833 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Erfassen und Identifizieren im Erdboden verborgener Objekte wie Kunststoffminen. Die Vorrichtung umfasst zwei nebeneinander angeordnete Sensorspulen, die bei unterschiedlichen Erregungsfrequenzen betrieben werden. In Abhängigkeit von verschiedenen physikalischen Eigenschaften des verborgenen Objekts wie die elektrische Leitfähigkeit, Permeabilität usw. wird die Impedanz einer Empfängerspule, die in einer überlappenden Konfiguration der beiden Sensorspulen angeordnet ist, in Abhängigkeit von den jeweiligen Materialeigenschaften unterschiedlich modifiziert. Das Abtasten eines bestimmten Bodenbereichs und die Interpretation der Empfangssignale erfordern ebenfalls Erfahrungen und Fertigkeiten.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine induktive Sensoranordnung und ein Verfahren zum Erfassen von metallischen Objekten wie V-Stäben, die in einem Medium verborgen sind, zu schaffen.
  • Es ist im Einzelnen eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine induktive Sensoranordnung zu offenbaren und ein Verfahren zu schaffen, um metallische Objekte, die in einem umgebenden Medium verborgen sind, durch eine einzige Positionsmessung oder eine Folge von Messungen, jedoch in der einen einzigen Position eines Sensorkopfs zu erfassen, um die Position und gegebenenfalls die Überdeckung eine entsprechenden metallischen Objekts in Bezug auf die Messposition zu bewerten.
  • Als eine weitere Aufgabe sollte außerdem die Bestimmung der Tiefe des Metallobjekts von der Oberfläche des Mediums möglich sein.
  • Eine induktive Sensoranordnung mit den oben definierten allgemeinen Merkmalen ist in Übereinstimmung mit der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass zwei Feldspulen des Feldspulenpaars in einem definierten gegenseitigen Abstand benachbart zueinander mit nicht überlappenden Wicklungsebenen positioniert und im Wesentlichen in derselben geometrischen Ebene angeordnet sind und ein Paar Erfassungsspulen vorgesehen ist, wovon eine Spule in einer jeweiligen Feldspule in einer Orientierung zu der Achse der jeweiligen Feldspule montiert ist, derart, dass in den Erfassungsspulen in einer Umgebung, die frei von einem eisenhaltigen Objekt oder Material ist, im Wesentlichen keine Spannung induziert wird. Die Achsen der Erfassungsspulen sind in Bezug auf die Achse der jeweiligen Zugewiesenen der Feldspulen senkrecht angeordnet.
  • Weitere vorteilhafte Einzelheiten und Verbesserungen der auf diese Weise definierten Erfindung sind Gegenstand entsprechender abhängiger Ansprüche.
  • Ein Verfahren zum Erfassen eines in einem umgebenden Medium verborgenen eisenhaltigen Objekts unter Verwendung der induktiven Sensoranordnung gemäß der Erfindung oder irgendeiner vorteilhaften Ausführungsform hiervon ist gekennzeichnet durch Erregen des Feldspulenpaars mit definierten gleichen Stromrampen, die sequentiell an die zwei Feldspulen eines Feldspulenpaars geliefert werden, um so einen in das Medium eindringenden sich ändernden magnetischen Fluss zu erzeugen, wobei sich aus den verschiedenen physikalischen Positionen wenigstens zwei Magnetfeldmuster ergeben, Sammeln von vier verschiedenen Ausgangsspannungen von den zwei Erfassungsspulen eines Erfassungsspulenpaars, d. h.
    • – eine erste Ausgangsspannung von der ersten Erfassungsspule und eine zweite Ausgangsspannung von der anderen Erfassungsspule des Erfassungsspulenpaars, während die erste Feldspule, die der ersten Erfassungsspule zugewiesen ist, durch eine Erste der definierten Stromrampen erregt wird,
    • – eine dritte Ausgangsspannung von der anderen Erfassungsspule und eine vierte Ausgangsspannung von der ersten Erfassungsspule des Erfassungsspulenpaars, während die andere Feldspule, die der anderen Erfassungsspule zugewiesen ist, durch eine Nachfolgende der definierten Stromrampen erregt wird, und
    Gewinnen eines Vorhanden/Nichtvorhanden-Kriteriums für ein eisenhaltiges Objekt durch algorithmisches Verarbeiten der vier Spannungen.
  • Vorteilhafte Modifikationen und Ausführungsformen des auf diese Weise definierten Messverfahrens gemäß der Erfindung sind Gegenstand weiterer abhängiger Ansprüche, insbesondere der Ansprüche 6 bis 8.
  • Die Schritte der algorithmischen Verarbeitung werden vorzugsweise sequentiell in Bezug auf eine Menge aus einem jeweiligen Spannungswert der vier Ausgangsspannungen, die durch das Erfassungsspulenpaar erfasst werden, während eines Erregungsstromrampen-Zyklus, der an das Feldspulenpaar geliefert wird, ausgeführt.
  • Mit der Erfindung wird es möglich, ein metallisches Objekt, insbesondere einen V-Stab aus einer Einzelpunktmessung genau zu lokalisieren. Demzufolge sind ein Sensorkopf und eine Messeinheit gemäß der Erfindung einfach zu verwenden, zuverlässig und ermöglichen auf Grund der Forderung einer Einzelpunktmessung eine Funktion in beschränkten Räumen.
  • Die Erfindung und ihre vorteilhaften Ausführungsformen werden unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung genauer beschrieben, worin:
  • 1 eine grundlegende mechanische Konfiguration einer induktiven Sensoranordnung mit einer horizontalen Projektionsansicht im oberen Teil und einer Schnittansicht im unteren Teil veranschaulicht;
  • 2 eine schematische Darstellung einer typischen Stromrampenfolge zum Erregen der beiden Feldspulen ist;
  • 3 die Ausgangsspannung der Erfassungsspule 2A während einer Stromrampenerregung der zugewiesenen Feldspule 1A zeigt, wenn ein metallisches Objekt, z. B. ein V-Stab überquert wird;
  • 4 die Antwort an der Erfassungsspule 2B zeigt, wenn eine Störung des Magnetfelds infolge des metallischen Objekts während einer Stromrampenerregung der Feldspule 1V vorhanden ist, wenn z. B. ein V-Stab überquert wird;
  • 5 zeigt die Ausgangsspannung der anderen Erfassungsspule 2B, wenn die zugewiesene Feldspule 1B durch eine nachfolgende Stromrampe erregt und ein metallisches Objekt überquert wird;
  • 6 die Antwort an der Erfassungsspule 2A während einer Stromrampenerregung der Feldspule 1B und während einer Störung des Magnet felds durch das Vorhandensein eines metallischen Objekts veranschaulicht, wenn z. B. ein V-Stab überquert wird;
  • 7 eine kombinierte Kurvendarstellung der beiden Signalpaare ist, die in der Erfassungsspule 2A, 2B während einer bestimmten Folge von aufeinander folgenden Stromrampenerregungs-Zyklen induziert werden, für die die einzelnen Signalantworten in den 3 bis 6 dargestellt sind;
  • 8 eine weitere Signaldarstellung ist, um einen einfachen vorteilhaften Erfassungsalgorithmus zu erläutern, wobei als ein erster Schritt die beiden Spannungskurven der 3 und 5 überlagert werden, um die so genannte "Add-Kurve" zu bilden;
  • 9 eine überlagerte Darstellung der beiden "Hump-Kurven" von 4 und 6 ist mit einer zusätzlichen Veranschaulichung einer "Treshold-Kurve", die später erläutert wird;
  • 10 eine überlagerte kombinierte Darstellung der in den 8 und 9 gezeigten Kurven veranschaulicht;
  • 11 eine extrahierte vereinfachte Darstellung von 10 ist, die die Add-Kurve von 8 und die Treshold-Kurve, die später erläutert wird, zeigt;
  • 12 der Darstellung von 3 entspricht und die Abhängigkeit des Erfassungsspulen-Antwortsignals von der Tiefe eines verborgenen metallischen Objekts veranschaulicht;
  • 13 der Kurve von 5 entspricht und wiederum die Tiefenabhängigkeit des Antwortsignals zeigt;
  • 14 einen Ablaufplan einer Messroutine zeigt;
  • 15 eine überlagerte Darstellung der Kurven von 12 und 13 ist;
  • 16 dem unteren Teil von 1 entspricht, wobei jedoch die Erfassungsspulen 2A, 2B so verschoben sind, dass ihre magnetischen Achsen aus später beschriebenen Gründen geneigt sind;
  • 17 eine Draufsicht und eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen induktiven Sensorkopfes ist, der zwei zueinander senkrecht angeordnete Feldspulenpaare bzw. Erfassungsspulenpaare umfasst; und
  • 18 die grundlegende induktive Sensoranordnung von 1 zeigt, die in Kombination mit einer handgehaltenen Werkzeugmaschine, z. B. einem Bohrhammer angewendet ist.
  • In der gesamten Zeichnung werden gleiche Bezugszeichen für Elemente und Teile mit entsprechender Konstruktion oder Funktion verwendet.
  • Zunächst wird eine vollständige induktive Sensorspulenanordnung unter Bezugnahme auf 1 beschrieben. Sie enthält zwei identische Spulenanordnungen A bzw. B, die in einem definierten Mittenabstand angeordnet sind, der typischerweise 30 bis 70 mm beträgt, jedoch in keiner Weise einschränkend ist. Eine Spulenanordnung A, B enthält eine Feldspule 1A, 1B bzw. eine Erfassungsspule 2A, 2B. Um die äußeren Abmessungen der beiden Spulenanordnungen A, B zu begrenzen, können die Querschnittformen, d. h. die Wicklungsebenen der Feldspulen 1A, 1B oval sein, wie in 1 gezeigt ist. Die Feldspulen 1A, 1B werden mit zeitlich sequentiellen Stromrampen angesteuert, so dass ein sich ständig ändernder Magnetfluss erzeugt wird. Die Feldspule 1A wird angesteuert, während die Feldspule 1B in einem passiven Zustand ist, anschließend wird die Feldspule 1B angesteuert, während die Feldspule 1A in dem passiven Zustand ist. Dies erregt ein metallisches Objekt wie einen V-Stab R bei dessen Vorhandensein mit zwei Magnetfeldmustern, die von verschiedenen physikalischen Positionen ausgehen, trotz der Tatsache, dass die vollständige Spulenanordnung unbeweglich in einer Messposition gehalten wird. Die Erfassungspulen 2A bzw. 2B sind im Inneren angebracht und sind in Bezug auf ihre Achsen senkrecht zu den Feldspulen 1A, 1B dargestellt, so dass in einer nichtmagnetischen Umgebung in den Erfassungsspulen 2A, 2B keine induzierte Spannung entwickelt wird. Wenn ein V-Stab R in die Nähe der Spulenanordnung gebracht wird und in deren Nähe erfasst wird, wird das Gleichgewicht des Magnetfelds gestört und die Erfassungsspulen 2A, 2B erzeugen kennzeichnende Ausgangssignale.
  • Für Zwecke der Erläuterung ist es einfacher, die Spannung am Ausgang jeder der Erfassungsspulen 2A, 2B zu veranschaulichen, wenn der V-Stab R über der Oberseite der vollständigen Spulenanordnung überquert wird. Die Kurven der Antwortspannung, die im Folgenden unter Bezugnahme auf die 3 bis 6 erläutert werden, sind die gemessenen Signale, wenn sich ein einzelner V-Stab über die induktive Sensoranordnung bewegt.
  • Es ist ein wesentliches Element der Erfindung, dass durch Analysieren der gemessenen Signalantworten eine eindeutige Spannungsmenge für jede endliche kleine Bewegung oder Positionsverschiebung des V-Stabs empfangen wird. Durch Überlagerung der Signalantworten wird es möglich, die Lage des V-Stabs vorherzusagen, indem die eindeutigen Spannungsmengen, im Einzelnen vier Spannungsmengen gemessen werden, wie später genauer erläutert wird.
  • Die oben beschriebene Spulenkonfiguration funktioniert für alle V-Stab-Winkel im Bereich von etwa ±60° zur vertikalen Richtung.
  • Die folgenden vier Ausgangsspannungen, die in den 4 bis 6 dargestellt sind, wurden gleichzeitig gesammelt, wenn der V-Stab R abgetastet oder von links nach rechts über die Sensoranordnung von 1 verschoben wurde. Die horizontale X-Achse der Kurven entspricht fünf Messwerten pro 1 mm Bewegung des V-Stabs R. Die vier Sensorausgangssignale wurden erhalten, indem jede der Feldspulen 1A, 1B sequentiell angesteuert wurde. Diese Ansteuerung erfolgte typischerweise mit einer Zeitdauer des jeweiligen Ansteuerzyklus und mit Stromamplituden, wie in 2 gezeigt ist, die jedoch in keiner Weise eine Einschränkung darstellen.
  • Die Darstellung von 3 zeigt die Ausgangsspannung der Erfassungsspule 2A, die ansteigt, wenn sich der V-Stab R der Erfassungsspule 1A nähert. Wenn sich der V-Stab R über die Oberseite der Erfassungsspule 2A bewegt, fällt der Signalverlauf und geht durch null. Wenn sich der V-Stab R entfernt, fällt die Spannung weiter. Dies wird als im Folgenden als die "S-Kurven"-Antwort (Kurve a) bezeichnet und ihre Höhe und Breite sind Funktionen der Größe des V-Stabs und des Abstands von der Sensoranordnung, wie später erläutert wird. 5 zeigt die S-Kurven-Antwort von der Erfassungsspule 2B, wenn die Feldspule 2B erregt ist. Diese S-Kurve (Kurve b) verläuft umgekehrt, da sich der V-Stab R der Erfassungsspule 2B von der Mitte der Sensoranordnung, d. h. in der entgegengesetzten magnetischen Richtung nähert.
  • Die 4 bzw. die 6 zeigen die Antwort an den Erfassungsspulen 2A, 2B, während die jeweilige gegenüberliegende Feldspule 1B bzw. 1A angesteuert wird. Diese Ausgangsspannungen ergeben sich in Reaktion auf eine Störung des magnetischen Felds beim Vorhandensein eines V-Stabs R. Wie bei den S-Kurven a und b von 3 und 5 sind ihre Amplituden abhängig von der Größe des V-Stabs R und seinem Abstand von der Sensoranordnung. Diese Ausgangssignale, die als "Hump-Kurven" (Kurven c und d) bezeichnet werden, sind für Positionsinformationen nicht nützlich, sie können jedoch verwendet werden, um einen Treshold-Pegel zum Verfolgen der Amplitude der gewünschten S-Kurven zu erzeugen, d. h. die Hump-Kurven sind für die Signalverarbeitung nützlich.
  • 7 zeigt die kombinierten graphischen Darstellungen der S-Kurven a, b der 3 und 5 und die Hump-Kurven c, d der 4 und 6.
  • Im Folgenden und unter Bezugnahme auf die graphischen Darstellungen der 8 bis 13 wird ein einfacher kostengünstiger Erfassungsalgorithmus beschrieben, um die Erfassung eines metallischen Objekts, z. B. eines V-Stabs R anzugeben. Andere Algorithmen, die analoge oder digitale Signalverarbeitungstechniken verwenden, sind möglich.
  • Der einfache und leicht zu implementierende Algorithmus, der hier beschrieben wird, dient zum Finden des metallischen Objekts (V-Stab) in drei Schritten. Diese sind:
    • 1. Addieren der beiden S-Kurven a, b (3 und 5). Die neue Form oder die Kurve e wird als "Add-Kurve" bezeichnet. Der Minimalwert, d. h. der tiefste Punkt der Add-Kurve e ist die Position der Mitte des V-Stabs (siehe 8).
    • 2. Verwenden der stärker negativen Kurve der Hump-Kurven c, d (4 und 6) an jedem Abtastwert (siehe 9) und Multiplizieren des Ergebnisses mit einem bestimmten Gewichtungsfaktor α, wobei α im Bereich –0,5 ≤ α ≤ 0,9 und vorzugsweise im Bereich von –0,2 ≤ α ≤ 0,5 liegt und insbesondere α = 0,2. Die neue Form oder Kurve f wird im Folgenden als "Treshold-Kurve" bezeichnet.
    • 3. Vergleichen des Pegels der Add-Kurve e mit der Treshold-Kurve f. Wenn die Add-Kurve e stärker negativ ist als die Treshold-Kurve f, wird angenommen, dass ein V-Stab R erfasst wurde.
  • 10 zeigt die vier Signale von den Erfassungsspulen 2A, 2B, wobei die Add-Kurve e und die Treshold-Kurve f überlagert sind. Wie in dieser graphischen Darstellung gezeigt ist, befindet sich der V-Stab R unter der Sensoranordnung, wenn die Add-Kurve e stärker negativ ist als die Treshold-Kurve f.
  • 11 ist ein Auszug von 10 und zeigt die S-Kurve e und die Treshold-Kurve f, wobei insbesondere der Abschnitt hervorgehoben ist, in dem ein V-Stab erfasst wird.
  • Wenn kein V-Stab vorhanden ist oder der V-Stab von der Sensoranordnung zu weit entfernt ist, wird angenommen, dass die vier Grundsignale a bis d im Systemrauschen verloren gehen, und deswegen gibt es keine erfassbare Form.
  • Wenn sich der Abstand zwischen dem V-Stab R und der Sensoranordnung vergrößert, wird die S-Kurve breiter und hat eine geringere Amplitude. Dies wird bewirkt, da der Brennpunkt des magnetischen Felds mit größer werdendem Abstand schwächer und breiter wird. Die graphischen Darstellungen der S-Kurven, die in den 12 und 13 gezeigt sind, sind die Antworten für einen V-Stab R mit einem Durchmesser von 10 mm bei einem Abstand von 30 mm (Kurven a' und b') bzw. 70 mm (Kurven a2' und b2') von der Sensoranordnung. Wie ersichtlich ist, gelten die breiteren S-Kurven a'' und b'' für den V-Stab in der Tiefe von 70 mm. Die Amplituden der Signale wurden normiert, um einen einfacheren Vergleich der Kurven zu ermöglichen.
  • In 15 sind die vier Kurven von 12 und 13 für Vergleiche überlagert. Diese graphischen Darstellungen von 15 wurden mit der Spulenanordnung von 1 aufgenommen, wobei die magnetischen Achsen der Feldspulen 1A, 1B und der Erfassungsspulen 2A, 2B parallel eingestellt sind, wobei erkannt werden kann, dass die unteren Abschnitte der S-Kurven oder der in einer Tiefe von 70 mm liegende V-Stab (Kuren a'', b'') sich nicht überlagern. Um diese Wirkung minimal zu machen, können die magnetischen Achsen der Erfassungsspulen 2A, 2B geneigt werden. 16 zeigt, wie die magnetischen Achsen geneigt werden können, um diese Antwortspreizwirkung der S-Kurven, die eine breitere Antwort von tiefer liegenden V-Stäben aufweisen, zu verringern. Daraus folgt, dass die mechanische Geometrie der Feldspulen 1A, 18 in Bezug auf die Erfassungsspulen 2A, 2B so eingestellt werden sollte, dass sich die negativen (unteren) Teile der S-Kurven a, b überlagern, wie in 8 gezeigt ist. Diese Prototyp-Anordnung der induktiven Sensoranordnung gemäß 1 ist mit bestimmten Entwurfseinschränkungen der mechanischen Umhüllung konform, wenn z. B. ein handgehaltenes Werkzeug wie ein Bohrhammer intern mit einem erfindungsgemäßen induktiven Sensor versehen werden soll, wie im Folgenden unter Bezugnahme auf 18 gezeigt und weiter erläutert wird. Die Baueinheit von 1 ergibt eine gute elektrische Leistung über einen angemessenen weiten Bereich von Forderungen der Größe von V-Stäben und Erfassungstiefen.
  • 14 ist ein Ablaufplan einer Messroutine, wenn die Feldspule 1A zuerst erregt wird mit einer nachfolgenden Erregung der Feldspule 1B während eines vollständigen Messzyklus, bei dem sich vier Spannungswerte ergeben, die angegeben sind als "Variable Sa", d. h. ein Wert in der Kurve a von 3, "Variable Hc", die sich auf einen Wert der Hump-Kurve von 4 bezieht, die durch die Erfassungsspule 2B erzeugt wird, d. h. einen Wert der Hump-Kurve d (6) sowie eine Variable "Sb" der S-Kurve b, die durch die Erfassungsspule 2B geliefert wird. Wie durch einen Experten erkannt werden kann, um die drei oben erläuterten Verarbeitungsschritte Verstärkung, vorübergehendes Abtasten und Halten auszuführen, sind eine A/D-Umsetzung und eine Filterung jedes Spannungswerts, der durch die Erfassungsspulen 2A, 2B entwickelt wird, erforderlich, bevor der Vergleichsschritt der Add-Kurvenwerte mit den Treshold-Kurvenwerten in dem unteren Teil des Ablaufplans von 14 ausgeführt werden kann, um zu entscheiden, ob sich ein V-Stab R in der Nähe der Sensoranordnung A, B befindet.
  • Um ein vollständig rechtwinkliges System zu schaffen, das für V-Stab-Winkel größer als ±60° funktioniert, muss ein weiteres Paar von Spulenbaueinheiten 1C, 2C bzw. 1D, 2D unter einem Winkel von 90° zu der ersten Gruppe 1A, 2A bzw. 1B, 2B hinzugefügt werden. Eine derartige Anordnung ist in 17 ge zeigt, die ermöglicht, dass der induktive Sensor über eine volle Drehung des V-Stabs von 360° funktioniert. In Bezug auf den oben beschriebenen Erfassungsalgorithmus verarbeitet jedes gegenüberliegende Paar von Sensorspulen 2A, 2B bzw. 2D, 2C die zurückgeführten Signale. Wenn eines von ihnen einen V-Stab erfasst, wird eine Anzeige bereitgestellt.
  • 18 veranschaulicht in einer schematischen Draufsicht von unten die Integration des induktiven Sensors gemäß 1 in einem handgehaltenen Werkzeug, wie etwa ein Bohrhammer. Die Baueinheit der induktiven Sensorspule von 1 ist in den Kopfabschnitt eines Bohrhammers in der Weise integriert, dass die paarweise angeordneten Feldspulen 1A, 1B mit zugehörigen Sensorspulen 2A bzw. 2B ein Bohrwerkzeug 3 an zwei Seiten hiervon in gleichem Abstand umgeben, so dass das Bohrwerkzeug 3 in der Mittelachse zwischen den beiden Spulengruppen positioniert ist. Prüfungen mit einem derartigen Bohrhammer, der intern mit einem erfindungsgemäßen induktiven Sensorkopf versehen ist, zeigten, dass die Bewegung des Werkzeugs und Temperaturänderungen des Werkzeugs das Magnetfeld stören. Dies erschwert die Bestimmung des eisenhaltigen Objekts, d. h. des V-Stabs. Gemäß einer weiter verbesserten Ausführungsform der Erfindung wird der Einfluss des Werkzeugs durch eine metallische Abschirmung 4 kompensiert oder abgeschirmt, die im Fall von 18 eine röhrenförmige Patrone ist, die das Werkzeug 3 umgibt.
  • In einigen Fällen kann die Patrone 4 die Symmetrie der Spulenanordnung stören. Diese Störung kann durch die Verwendung von sehr kleinen metallischen Körpern (nicht gezeigt), die an den einander zugewandten inneren Oberflächen der beiden Feldspulen (1A, 1B) befestigt sind, ausgeglichen oder beseitigt werden.
  • Außerdem kann eine kleine Lichtquelle wie eine LED oder eine Miniaturlampe in den Werkzeugkopf der handgehaltenen Werkzeugmaschine integriert sein, wenn die Sicht des Benutzers auf das Werkstück oder die Oberfläche eines Untergrunds beeinträchtigt ist, so dass Oberflächenmarkierungen deutlich erkannt werden können und eine genaue Betriebsposition der Werkzeugmaschine möglich wird.

Claims (8)

  1. Induktive Sensoranordnung zum Erfassen eines eisenhaltigen Objekts, das in einem umgebenden Medium vergraben ist, mit einem Feldspulenpaar zum Erzeugen eines in das Medium eindringenden magnetischen Wechselflussfeldes und einer Erfassungsspule zum Erfassen von Magnetflussfeld-Störungen, die gegebenenfalls durch das eisenhaltige Objekt hervorgerufen werden, dadurch gekennzeichnet, dass – die zwei Feldspulen (1A, 1B) des Feldspulenpaars in einem definierten gegenseitigen Abstand benachbart zueinander positioniert sind, wobei ihre nicht überlappenden Wicklungsebenen im Wesentlichen in derselben geometrischen Ebene angeordnet sind, und – ein Paar Erfassungsspulen (2A, 2B) vorgesehen ist, wovon eine Spule in einer jeweiligen Feldspule in einer Orientierung zu der Achse der jeweiligen Feldspule montiert ist, derart, dass in den Erfassungsspulen in einer Umgebung, die frei von einem eisenhaltigen Objekt oder Material ist, im Wesentlichen keine Spannung induziert wird.
  2. Induktive Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Achsen der Erfassungsspulen (2A, 2B) in Bezug auf die Achse der jeweiligen Feldspulen senkrecht angeordnet sind.
  3. Induktive Sensoranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungsspulen in den Feldspulen in der Weise angeordnet sind, dass ihre magnetischen Achsen um denselben Winkel, jedoch in entgegengesetzten Richtungen, geneigt sind.
  4. Induktive Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass – zwei Paare von Feldspulen (1A, B und 1C, D) vorgesehen sind, die senkrecht angeordnete, paarweise beabstandete und parallele Achsen besitzen, und – zwei Paare von Erfassungsspulen (2A, B und 2C, D) jeweils in gleichem gegenseitigem Abstand und in der jeweils Zugeordneten der Feldspulen angeordnet sind.
  5. Verfahren zum Erfassen eines in einem umgebenden Medium verborgenen eisenhaltigen Objekts unter Verwendung der induktiven Sensoranordnung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch – sequentielles Erregen des Feldspulenpaars (1A, 1B) mit definierten gleichen Stromrampen, die sequentiell an die zwei Feldspulen eines Feldspulenpaars (1A, 1B) geliefert werden, um so einen in das Medium eindringenden sich ändernden magnetischen Fluss zu erzeugen, wobei sich aus den verschiedenen physikalischen Positionen wenigstens zwei Magnetfeldmuster ergeben, – Sammeln von vier verschiedenen Ausgangsspannungen (a, c, b, d) von den zwei Erfassungsspulen (2A, 2B) eines Erfassungsspulenpaars, d. h. – eine erste Ausgangsspannung (a) von der ersten Erfassungsspule (2A) und eine zweite Ausgangsspannung (c) von der anderen Erfassungsspule (2B) des Erfassungsspulenpaars, während die erste Feldspule (1A), die der ersten Erfassungsspule (2A) zugewiesen ist, durch eine Erste der definierten Stromrampen erregt wird, – eine dritte Ausgangsspannung (b) von der anderen Erfassungsspule (2B) und eine vierte Ausgangsspannung (d) von der ersten Erfassungsspule (2A) des Erfassungsspulenpaars, während die andere Feldspule (1B), die der anderen Erfassungsspule (2B) zugewiesen ist, durch eine Nachfolgende der definierten Stromrampen erregt wird, und – Gewinnen eines Vorhanden/Nichtvorhanden-Kriteriums für ein eisenhaltiges Objekt (R) durch algorithmisches Verarbeiten der vier Spannungen.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die algorithmische Verarbeitung der vier Spannungen die folgenden Schritte umfasst: – Addieren der ersten und der dritten Ausgangsspannung (a, b), um eine Add-Kurve zu definieren; – Vergleichen der zweiten und der vierten Ausgangsspannung (c, d) miteinander und Multiplizieren des stärker negativen Werts der zweiten oder der vierten Ausgangsspannung (c, d) mit einem bestimmten Reduzierungswert (α), um eine Threshold-Kurve (f) zu definieren; – Vergleichen der Add-Kurve (e) mit der Threshold-Kurve (f); und – Entscheiden für "metallisches Objekt vorhanden", falls die Add-Kurve (e) stärker negativ als die Threshold-Kurve (f) ist.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Schritte der algorithmischen Verarbeitung sequentiell in Bezug auf eine Menge aus einem jeweiligen Spannungswert (Sa, Sb, Hc, Hd) der vier Ausgangsspannungen, die durch das Erfassungsspulenpaar (2A, 2B) geliefert werden, während eines Erregungsstromrampen-Zyklus, der an das Feldspulenpaar (1A, 1B) geliefert wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, bei dem der Reduzierungswert (α) zum Definieren der Threshold-Kurve (f) im Bereich von –0,5 ≤ α ≤ 0,9 und vorzugsweise im Bereich von –0,2 ≤ α ≤ 0,5 liegt.
DE69935792T 1999-10-13 1999-10-13 Induktive Sensoranordnung und Verfahren zur Erfassung von eisernen Objekten Expired - Lifetime DE69935792T2 (de)

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