DE10157770C1 - Metallsuchgerät - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Metallsuchgerät mit zumindest einer Treiberschaltung 2, zumindest einer zwei äußere Anschlüsse 4a, b aufweisenden Sendewicklung 4 und zumindest einer zwei äußeren Anschlüsse 5a, b aufweisenden Empfangswicklung 5. Eine Steigerung des Wirkungsgrades herkömmlicher Metallsuchgeräte wird dadurch erreicht, dass mindestens ein die Sendewicklung 4 unterteilender Abgriff vorgesehen ist, wobei die Sendewicklung 4 über den Abgriff 4c von der Treiberschaltung mit einer an den äußeren Anschlüssen 4a, b transformierten elektrischen Wechselspannung beaufschlagbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Metallsuchgerät mit mindestens einer zwei äußere Anschlüsse aufweisenden Sendewicklung und zumindest einer zwei äußere Anschlüsse aufweisenden Empfangswicklung und mindestens einer Treiberschaltung. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Metallsuchgerätes.

Ein herkömmliches Metallsuchgerät weist einen Suchkopf mit einer Sendespule und einer Empfangsspule auf. Die Sendespule ist aus Wicklungen gebildet, mit deren Hilfe ein magnetisches Feld erzeugt werden kann. Die Sende- und Empfangsspulen werden häufig auch als Sende- und Empfangswicklungen bezeichnet. Dazu wird an die Sendespule mit Hilfe einer Treiberschaltung, vorzugsweise einem Oszillator, eine elektrische Wechselspannung angelegt. Aufgrund der elektromagnetischen Induktion erzeugen die Sendewicklungen ein magnetisches Wechselfeld in der Umgebung der Sendespule. Dieses Magnetfeld lässt sich mit Hilfe einer Empfangsspule, die aus einer Empfangswicklung gebildet ist, empfangen.

Die Empfangsspule ist über einen Verstärker mit einer Detektorschaltung verbunden. Die Detektorschaltung kann Variationen im Magnetfeld der Sendespule, die durch sich in der Umgebung der Spulen befindende metallische Gegenstände erzeugt werden, detektieren.

Sowohl die Sendespule als auch die Empfangsspule sind häufig mit Kondensatoren aufweisenden Treiberschaltungen so verbunden, dass sie Parallel- oder Serienschwingkreise bilden. Diese Schwingkreise werden vorzugsweise in Resonanz betrieben, so dass die Magnetfeldstärke möglichst groß wird.

Aus der DE 198 03 957 C1 ist ein Metallsuchgerät und ein Verfahren zur Detektion eines metallischen Gegenstands bekannt. Zur Schaffung eines Metallsuchgerätes, welches eine verbesserte Empfindlichkeit aufweist und durch einen Nichtfachmann einfach bedient werden kann, wird vorgeschlagen, eine automatische Regelung eines Schwingkreises vorzusehen. Der Schwingkreis verfügt über einen regelbaren Widerstand, wodurch eine Rückkoppelung des Schwingkreises mit der Suchspule so variiert werden kann, dass der Schwingkreis sich in einem Zustand gerade kurz nach dem Schwingungseinsatz befindet. Hierbei besitzt eine Suchspule, die gleichzeitig Oszillatorspule ist, eine Anzapfung. Mit einem Potentiometer kann der Grad der Kopplung zwischen Suchspule und Oszillatorspule eingestellt werden.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 199 63 773 ist ebenfalls ein Metalldetektor und ein Verfahren zum Betreiben eines Metalldetektors bekannt. Bei diesem Verfahren ist ein Oszillator vorgesehen, der einen Schwingkreis zur Abstrahlung elektromagnetischer Wechselfelder veranlaßt. Die Wechselfelder und damit das Schwingungsverhalten des Oszillators werden durch die Anwesenheit von Metall beeinflußt. Durch eine Rückkoppelung des Oszillators kann mit Hilfe einer Phasensteuerung der Rückkopplungsspannung der Arbeitspunkt des Oszillators verändert werden. Um einen größeren Anwendungsbereich zu haben und mit unterschiedlichen Effekten der Umgebung umgehen zu können, wird vorgeschlagen, unterschiedliche Phasenlagen der Rückkopplungsspannung zu unterdrücken, wodurch zwischen unterschiedlichen Umgebungseffekten unterschieden werden kann.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 198 50 748 ist ein Sensor bekannt, der auf Annäherung von Metallen anspricht. Ein axial ausgerichtetes Spulensystem ist vorgesehen, welches mindestens drei miteinander elektromagnetisch oder magnetisch gekoppelte Spulen aufweist. Das an der Detektorspule und der Generatorspule anliegende Signal wird einem Mischer zugeführt. Hierdurch wird erreicht, dass mit Hilfe eines induktiv arbeitenden Näherungsschalters, der auch im höheren Frequenzbereich von 500 kHz arbeitet, eine eindeutige Zuordnung des Abstandes eines metallischen Teils zum Sensor- Spulensystem gewährleistet wird.

Die Veröffentlichung GB 1 436 900 betrifft eine Vorrichtung zur Detektion von Bewegungen metallischer oder nichtmetallischer Gegenstände durch eine Metalldetektionsstation. Um eine verlässliche Detektion der Gegenstände zu gewährleisten, ohne dass die Vorrichtung auf metallische Gegenstände außerhalb der Metalldetektionsstation reagiert, wird vorgeschlagen, eine Sendespule mit einer Wicklung und zwei Empfangsspulen mit jeweils einer Wicklung vorzusehen. Die beiden Empfangsspulen sind auf gegenüberliegenden Seiten der Sendespule angeordnet. Die Sendespule und die Empfangsspulen werden über Treiberschaltungen gespeist, deren Frequenzen aufeinander abgestimmt sind.

Die deutsche Gebrauchsmusterschrift DE 200 11 966 U1 betrifft einen Sensor zur Messung einer Kapazitätsänderung eines Kondensators und Umsetzung in ein Spannungssignal. Um einen solchen Sensor zu schaffen, mit dem kapazitiv sich zwei relativ zueinander bewegende Objekte geortet werden können, wird vorgeschlagen, die Primär- und Sekundärspulen mit Kondensatorelektroden zu verbinden. Eine weitere Kondensatorelektrode wird vorgeschlagen, die zu den ersten Kondensatorelektroden ein elektrisches Streufeld ausbildet, durch das jeweils ein Streufeldkondensator gebildet wird. Die Veränderung der Streufeldkapazität durch ein sich näherndes Objekt kann detektiert werden, wenn an einer Tertiärspule eine Differenzspannung anliegt.

Schließlich zeigt die deutsche Patentschrift DE 196 51 923 C2 eine Sonde zur Erfassung von magnetischen Wechselfeldern. Ein hochpermeabler Sondenkern wird hierbei von einer aus mehreren in Reihe geschalteten Spulen umgeben. Um eine Erfassung von niederfrequenten, magnetischen Wechselfeldern im Wasser zu optimieren, wird vorgeschlagen, den Sondenkern aus flachen Streifen zu bilden. Diese werden aus amorphem oder mikrokristallinem, magnetisierbarem Material zusammengesetzt. Zwischen die Streifen wird ein elektrisch isolierender Streifen eingesetzt. Durch den Einsatz der Isolatoren werden Wirbelströme vermieden, die das zu messende Magnetfeld erheblich störten.

Nachteilig an dem bekannten Schaltungen ist, dass die verfügbare elektrische Energie, die normalerweise von einer herkömmlichen Batterie zur Verfügung gestellt wird, die magnetische Energie des Magnetfeldes begrenzt. Da jedoch für den Erfolg einer Metallsuche die Stärke des Magnetfeldes wesentlich ist, wird häufig versucht, die Magnetfeldstärke zu erhöhen. Dazu wird beispielsweise vorgeschlagen, elektrische Ladung über einen Kondensator zu sammeln und gebündelt abzugeben, wodurch höhere Versorgungsspannungen der Sendespule erreicht werden. Nachteilig an solchen Schaltungen ist, dass sie den Schaltungsaufwand erheblich vergrößern und die Produktionskosten von Metallsuchgeräten steigern.

Ausgehend von den zuvor beschriebenen Nachteilen liegt der Erfindung das technische Problem zugrunde, den Wirkungsgrad herkömmlicher Metallsuchgeräte in einfacher Weise zu verbessern.

Das zuvor aufgezeigte technische Problem wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mindestens ein die Sendewicklung unterteilender Abgriff vorgesehen ist, wobei die Sendewicklung über den Abgriff von der Treiberschaltung mit einer an den äußeren Anschlüssen transformierten elektrischen Wechselspannung beaufschlagbar ist.

Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass über einen Abgriff entlang der Sendewicklung die Sendewicklung selbst als Transformator genutzt werden kann. Dabei wird an einen ersten Teil der Sendewicklung, zwischen einem äußeren Abgriff und der die Sendewicklung unterteilen Abgriff mit Hilfe der Treiberschaltung eine elektrische Wechselspannung angelegt. Durch die elektrische Wechselspannung wird in dem ersten Teil der Sendewicklung ein magnetisches Feld induziert, das sich in Richtung der gesamten Sendewicklung ausbreitet. Dies wiederum erzeugt einen Induktionsstrom in der restlichen Sendewicklung. Dieser induzierte Strom ist größer als der durch die Treiberschaltung einprägte Strom, wodurch sich das äußere Magnetfeld verstärkt.

Vorzugsweise unterteilt der Abgriff die Sendewicklung unsymmetrisch. Dabei wird bevorzugt, dass der Abgriff bei etwa einem Sechstel der Länge der Gesamtwicklung angeordnet ist. In diesem Fall wird die Induktionsspannung zwischen dem äußerem Anschluss und dem Abgriffsort über den Rest der Sendewicklung auf das Sechsfache hochtransformiert. Dadurch ergibt sich eine Vergrößerung des Magnetfeldes um das Siebenfache.

Um die von der Treiberschaltung eingeprägte Energie möglichst effizient auszunutzen, wird gemäß einer Ausführungsform der Erfindung vorgeschlagen, dass die Treiberschaltung mit einem äußeren Anschluss der Sendewicklung und dem Abgriffsort der Sendewicklung einen ersten Schwingkreis bildet. Wenn der erste Schwingkreis in seiner Resonanz betrieben wird, lässt sich die eingesetzte Energie am besten in ein Magnetfeld umsetzen.

Vorzugsweise wird ein weiterer Schwingkreis zwischen den äußeren Anschlüssen der Sendewicklung gebildet. Wenn dieser bevorzugt mit der gleichen Resonanzfrequenz betrieben wird wie der erste Schwingkreis, lässt sich die magnetische Feldenergie ein weiteres Mal erhöhen.

Vorzugsweise weist die Treiberschaltung einen Oszillator auf, wobei mit Hilfe des Oszillators eine elektromagnetische Schwingung in der Treiberschaltung erzeugbar ist. Der Oszillator ist dabei beispielsweise über einen Transistoremitterpfad mit dem Schwingkreis der Sendespule verbunden. Der Oszillator regt die Schwingkreise, beispielsweise mit ihrer Resonanzfrequenz, an. Dabei ist bevorzugt, dass der Oszillator über eine Rückkoppelung mit den Schwingkreisen verkoppelt ist, so dass dieser sich auf deren Resonanzfrequenz einstellen kann. In diesem Fall ergibt sich stets eine Anregung des Parallelschwingkreises mit seiner Eigenresonanzfrequenz.

Wenn die Sendewicklung und die Empfangswicklung im wesentlichen magnetisch entkoppelt sind, ergibt sich ohne dass ein metallischer Gegenstand im Magnetfeld angeordnet ist, an der Empfangswicklung eine induzierte Spannung, die nahe 0 ist. Bei einer magnetischen Entkoppelung bewirkt das in der Sendewicklung erzeugte Magnetfeld in der Empfangswicklung keine induzierte Spannung. Lediglich wenn in der Umgebung der Sendespule ein metallischer Gegenstand angeordnet ist, ergibt sich eine Verschiebung des Magnetfeldes der Sendespule. In diesem Fall wird die magnetische Entkoppelung zwischen Empfangsspule und Sendespule gestört und ein Teil des Magnetfeldes der Sendespule erzeugt in der Empfangsspule eine induzierte Spannung. Diese kann über einen Verstärker gemessen werden.

Vorteilhaft lässt sich eine Abweichung im Magnetfeld der Sendespule messen, wenn mit der Empfangswicklung ein dritter Schwingkreis gebildet ist. Dieser ist vorzugsweise auf die Resonanzfrequenz des ersten und des zweiten Schwingkreises abgestimmt.

Die Sende- und Empfangswicklungen können eine beliebige Form aufweisen; insbesondere können die Sende- und Empfangswicklungen die in den Fig. 1a, 1b und 1c abgebildeten Formen aufweisen.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Metallsuchgerätes, bei dem die Speisung der Sendewicklung durch eine von einer Treiberschaltung zwischen einem äußeren Anschluss der Sendewicklung und einem unsymmetrisch an der Sendewicklung angeordneten Abgriff angelegte elektrische Wechselspannung durchgeführt wird, wodurch über die gesamte Sendewicklung die elektrische Wechselspannung transformiert wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Ausführungsbeispiele zeigenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1a-c bekannte Spulenanordnungen von Suchköpfen und

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung.

Fig. 1a zeigt einen D-förmigen Suchkopf mit einer Spulenanordnung aus einer Sendewicklung 4 und eine Empfangswicklung 5. Die Sendewicklung 4 und die Empfangswicklung 5 sind auf einem Metallträger 3 angeordnet. Die Anordnung der Sendewicklung 4 zur Empfangswicklung 5 ist in der Art, dass das durch die Sendewicklung 4 erzeugte Magnetfeld in der Empfangswicklung 5 nur eine geringe Spannung induziert. Nur wenn sich das durch die Sendewicklung 4 erzeugte Magnetfeld durch äußere Gegebenheiten, beispielsweise einen metallischen Gegenstand, verändert, wird in der Empfangswicklung 5 eine größere Spannung induziert.

Ein Suchkopf gemäß Fig. 1b erlaubt ebenfalls eine gute Entkopplung zwischen Sendewicklung 4 und Empfangswicklung 5. Der magnetische Fluss der Sendewicklung 4 wird im wesentlichen innerhalb des Metallträgers 3 im Inneren der Sendewicklung 4 geführt. Dadurch ist die Summe der magnetischen Flüsse, die von der Empfangswicklung 5 umschlossen sind, im Wesentlichen 0.

Das gleiche gilt für einen Suchkopf gemäß Fig. 1c. Durch die Überschneidung der Sendewicklung 4 und der Empfangswicklung 5 im Mitteljoch des Metallträgers 3 ist auch hier die Summe der durch die Empfangswicklung 5 umschlossenen magnetischen Flüsse nahezu 0.

Die in den Fig. 1a bis c gezeigten Spulenanordnungen erlauben eine gute Detektion von metallischen Gegenständen in der Umgebung der Spulen. Die induzierte Spannung der Empfangswicklung 5 kann im Normalbetrieb sehr stark verstärkt werden, da sie normalerweise gegen 0 geht. Wenn sich aber ein metallischer Gegenstand in der Umgebung der Sendewicklung 4 befindet, wird eine kleine Spannung in der Empfangswicklung 5 induziert, die jedoch verstärkt wird und daher gut detektierbar ist.

In Fig. 2 ist eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung dargestellt. Gezeigt ist eine Treiberschaltung 2, die eine Sendewicklung 4 mit äußeren Anschlüssen 4a, 4b und einem Abgriff 4c speist. Eine Empfangswicklung 5 mit äußeren Anschlüssen 5a und 5b ist ebenfalls dargestellt. Die Treiberschaltung 2 ist aus den Kondensatoren 6 und 8 gebildet und wird über den Oszillator 10, der mit Hilfe des Transistors 12 an die Schwingkreise angekoppelt ist, gespeist. Der Kondensator 6 bildet mit dem Anschluss 4a und dem Abgriff 4c der Sendewicklung 4 einen ersten Schwingkreis. Der Kondensator 8 bildet mit der Sendewicklung 4 einen zweiten Schwingkreis. Die beiden Schwingkreise sind aufeinander abgestimmt und weisen die gleiche Resonanzfrequenz auf.

Der Kondensator 13 bildet zusammen mit der Empfangswicklung 5 einen dritten Resonanzschwingkreis, dessen Resonanzfrequenz mit der Resonanzfrequenz der ersten beiden Schwingkreise abgestimmt ist. Die Spannung, die in der Empfangswicklung 5 induziert wird, wird über den Verstärker 16 verstärkt und an den Detektor 18 geführt.

Der Oszillator 10 ist über den Emitter des Transistors 12 und den Kondensator 6 mit einer Masse 14 gekoppelt.

Vorzugsweise ist der Oszillator 10 derart mit den ersten beiden Schwingkreisen verkoppelt, dass dieser sich auf deren Eigenresonanzfrequenz einstellt.

Die über den Transistor 12 angelegte elektrische Wechselspannung wird vom ersten Parallelschwingkreis aufgenommen. Dieser schwingt mit seiner Resonanzfrequenz, wodurch der Induktionsstrom zwischen dem Anschluss 4a und dem Abgriff 4c der Sendewicklung 4 groß ist. Da der Abgriff 4c die Sendewicklung 4 unsymmetrisch unterteilt, ergibt sich eine Transformation der anliegenden Spannung. Die Spannung zwischen den äußeren Anschlüssen 4a und 4b entspricht dem Wicklungsverhältnis zwischen der Sendewicklung 4 und den Wicklungen zwischen dem Anschluss 4a und dem Abgriff 4c. Dadurch, dass die Induktionsspannung hochtransformiert wird, ergibt sich ein verstärktes äußeres Magnetfeld der Sendewicklung 4. Dieses Magnetfeld breitet sich über einen großen Bereich aus und erlaubt somit die Detektion von metallischen Gegenständen auch in einer größeren Tiefe unter dem Boden.

Der Strom durch den Transistor 12 ist höher als in herkömmlichen Schaltungen, da er über eine geringere Impedanz, nämlich lediglich die zwischen dem Anschluss 4a und dem Abgriff 4c anliegende, an Masse geführt wird. Daher ergibt sich an dem ersten Wicklungsabschnitt zwischen dem Anschluss 4a und dem Abgriff 4c eine größere Spannung, die darüber hinaus noch transformiert wird.

Der Empfänger ist vorzugsweise ein heterodyner Empfänger mit der gleichen Taktfrequenz wie der Oszillator des Senders. Lediglich die Seitenbänder des Senders werden detektiert und eine Phasenrelation zwischen der Sendefrequenz und dem empfangenen Echo wird gemessen. Für den Fall, dass sich ein Gegenstand in der Umgebung der Spulen befindet, ergibt sich eine Phasenverschiebung zwischen dem Echo und der Sendefrequenz, die sich auf dem Detektor darstellen lässt.

Claims (9)

1. Metallsuchgerät mit
mindestens einer Sendewicklung (4), welche zumindest zwei äußere Anschlüsse (4a, b) aufweist,
mindestens einer Empfangswicklung (5), welche zumindest zwei äußere Anschlüsse (5a, b) aufweist und
mindestens einer Treiberschaltung (2), wobei die Sendewicklung (4) über einen Abgriff (4c) von der Treiberschaltung (2) mit einer an den äußeren Anschlüssen (4a, b) transformierten elektrischen Wechselspannung beaufschlagbar ist.

2. Metallsuchgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgriff (4c) die Sendewicklung (4) unsymmetrisch unterteilt.

3. Metallsuchgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Treiberschaltung (2) mit einem äußeren Anschluss (4a) der Sendewicklung (4) und dem Abgriff (4c) der Sendewicklung (4) einen ersten Schwingkreis (4a, 4c, b) bildet.

4. Metallsuchgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den äußeren Anschlüssen (4a, b) der Sendewicklung (4) ein zweiter Schwingkreis gebildet ist.

5. Metallsuchgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Schwingkreis eine im wesentlichen gleiche Resonanzfrequenz aufweisen.

6. Metallsuchgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Treiberschaltung (2) einen Oszillator (10) aufweist, wobei mit Hilfe des Oszillators (10) eine elektromagnetische Schwingung in der Treiberschaltung (2) erzeugbar ist.

7. Metallsuchgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendewicklung (4) und die Empfangswicklung (5) im wesentlichen magnetisch entkoppelt sind.

8. Metallsuchgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Empfangswicklung (5) ein dritter Schwingkreis gebildet ist.

9. Verfahren zum Betrieb eines Metallsuchgerätes, bei dem die Speisung einer Sendewicklung durch eine von einer Treiberschaltung zwischen einem äußeren Anschluss der Sendewicklung und einem unsymmetrisch an der Sendewicklung angeordneten Abgriff angelegte elektrische Wechselspannung durchgeführt wird, wodurch über die gesamte Sendewicklung die elektrische Wechselspannung transformiert wird.