DE3225166A1 - Metal detector - Google Patents
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Abstract
Description
Meta lldetektor Metal detector
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.The invention relates to a metal detector with a differential transformer, which to generate a directed alternating magnetic field from a Having AC voltage source fed transmission coil arrangement, which is designed is that in the case of an undisturbed field for a receiving coil, in which in the event of a disturbance A voltage is induced in the field by a metal object, a zero balance results in which the resulting voltage is at least almost zero and with a Evaluation circuit for the voltage induced in the receiving coil.
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.Such a metal detector is described in U.S. Patent 3,471,773 and has a transmitter coil arrangement, which consists of a single transmitter coil, which is not designed as a ping coil in the usual way, but in the Top view has the shape of a strongly curved crescent or
eine Kreisform mit einer tiefen Einbuchtung, deren am weitesten innen liegender Punkt etwa über dem Mittelpunkt des außen liegenden, nicht ganz geschlossenen Kreises liegt.a circular shape with a deep indentation, its furthest Inside point lying approximately above the center of the outside, not completely closed Circle.
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.This coil shape is intended to be concentric to the center point of the outer circle arranged receiving coil with an undisturbed field an induced Voltage can be achieved which, if at all, deviates only slightly from zero. Disadvantageous on the known coil arrangement, which is also used in a similar manner in other known Metalldstktor, for example according to DE-OS 19 61 540 is realized it that the transmitter coil can not be wound in the usual way, but in a relatively complicated shape must be laid, so that it is comparatively high Manufacturing costs result. Even more serious is the disadvantage that the when winding the complicated transmitter coil inevitably occurring tolerances the known metal detector can not be compensated, so that in many cases an induced output voltage of the receiving coil other than zero must be taken, which ultimately results in a reduced responsiveness of the Metal detector.
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.Based on the state of the art, the invention is based on the object indicate an improved metal detector of the type described at the beginning which the transmitter coil assembly can be produced easily and cheaply and at the also simple possibilities for an exact zero adjustment with regard to the voltage induced in the receiving coil when the field is undisturbed.
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.In the case of a metal detector, this task is described at the outset Kind according to the invention solved in that the transmitter coil arrangement consists of at least two transmitter coils fed independently of one another from the AC voltage source is built, the excitation of which to bring about a zero balance on the receiving coil is set with an undisturbed field, it being particularly advantageous if the Transmitting coils designed as concentric ring coils through which flow is flowing in the same direction whose excitation currents are used to bring about a zero adjustment for the receiving coil are coordinated.
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.The decisive advantage of the metal detector according to the invention or - more precisely - the novel transmission coil arrangement of such a metal detector is that instead of a single, complicated transmitter coil, two simple Field coils can be used in which the current flow in particular by means of Potentiometers, can be adjusted so that the desired zero balance for the receiving coil. The metal detector according to the invention is thus not only easier and cheaper, but at the same time much more accurate than metal detectors according to the state of the art. Therefore, due to the comparatively low Manufacturing costs and the high accuracy the particularly advantageous possibility a metal detector according to the invention in industrial surveillance equipment as Use proximity switches.
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.It has proven to be particularly advantageous if, in the case of a metal detector according to the invention on one side of the transmitter coils, which are in a plane with the receiving coil are arranged, a plate made of magnetizable material, in particular a ferrite plate, which creates a strong directional character of the generated by the transmitter coils on their side facing away from the ferrite plate magnetic alternating field results.
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.Further details and advantages of the invention are provided below explained in more detail with reference to drawings and / or are the subject of subclaims. 1 shows a block diagram of a preferred embodiment of a metal detector according to the invention; 2 shows a schematic plan view of the coil arrangement a metal detector according to the invention; 3 shows a cross section through a coil arrangement a metal detector according to the invention, the shape of the coil from the transmitter generated magnetic alternating field is indicated; Fig. 4 a electrical circuit diagram of the coil arrangement of a metal detector according to the invention and FIG. 5 shows a schematic illustration to explain the function of a differential transformer for a metal detector according to the invention.
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.In detail, Fig. 1 shows that in a metal detector according to the invention the differential transformer 10, which in operation has a directional high-frequency field generated, namely an alternating magnetic field, from an alternating voltage source 12 or a generator is fed.
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.With the output of the differential transformer 10, i.e. with the connections An amplifier and demodulator circuit 14 is connected to the receiving coil which are connected on the output side to a trigger stage and a switching amplifier are combined in a block 16 in FIG. 1. Since the generator 12, the amplifier and demodulator circuit 14 and the flip-flop as well as the switching amplifier of the block 16 can be designed in the usual way, should be on the corresponding circuits will not be discussed in more detail here. Rather, the reference to the already US Pat. No. 3,471,773 mentioned at the beginning suffice.
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.Fig. 2 shows a detailed representation of the differential transformer or the coil assembly 10 of the metal detector according to the invention. It can be seen that the alternating voltage generated by the generator 12 is applied to an external, annular transmission coil 18 and to an inner, annular transmission coil 20 is created.
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.It can be seen that the two transmitter coils 18, 20 are concentric to one another are arranged and that a receiving coil 22 is located between them, which also is arranged concentrically to the two transmitter coils 18, 20. The supply of the transmitter coil arrangement 18, 20 takes place via the with the generator 12 or with the AC voltage source connected coil connections 24, 26 such that the two transmitter coils 18, 20 are in the same direction flow through, with a potentiometer 28 resp. 30 is switched. With the help of the potentiometer 28, 30, the currents in the transmitter coils 18, 20 can be set independently of one another so that none are present when the field is undisturbed Voltage is induced in the receiving coil 22. Adjusting the potentiometer 28, 30 takes place in such a way that between the two coil connections 32, 34 the receiving coil as long as the voltage is zero as long as there is no metal object in the directed alternating magnetic field generated by the transmitter coils 18, 20 is located.
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.According to FIG. 3 of the drawing, a particularly pronounced directional characteristic can be achieved of the generated by the transmitter coils 18, 20 of the differential transformer 10 according to FIG Achieve magnetic alternating field by on one side of the in arranged on one level Coils 18 to 22 a metal plate, in particular a ferrite plate 36 attaches. The field lines drawn in in FIG. 3 become It is clear that by attaching the metal plate 36 an extraordinary strong alignment of the field on the side of the coil arrangement facing away from the plate 36 is achieved.
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.Fig. 4 shows a circuit diagram of the differential transformer 10 of the invention Metal detector, this circuit diagram being separated by the generator 12 with its internal resistance shown or a series resistor that may have to be provided 38 is supplemented. For the two transmitter coils 18, 20, the direction of winding is in usually indicated by a point on the relevant winding.
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 bzw.The function of the differential transformer of a metal detector according to the invention will be explained in more detail below with reference to FIG. Fig. 5 shows a cross section by two coils through which an alternating voltage flows in the same direction, which the outer transmitter coil 18 and the inner transmitter coil 20 correspond. There are those Field lines of the inner coil are shown in dashed lines, while the field lines of the outer coil are shown as dotted lines. You can see that the magnetic flux or the field lines inside the inner coil 20 in the same direction superimpose that, however, the direction of the magnetic field lines in opposite to the area between the outer coil 18 and the inner coil 20 is. In this area there is a point where the one from the outer coil is located 18 generated magnetic flux opposite to that of the inner one Coil 2Q is generated magnetic flux. At this point, the differential transformer according to the invention, the receiving coil 22 is arranged. Because of the inevitable tolerances in the manufacture of the individual coils 18 to 20 and in the assembly of the coil arrangement or the differential transformer 10, the procedure is such that the receiving coil 22 due to their dimensions and their orientation essentially already the is in the right position. The zero adjustment or fine-tuning with which the undisturbed field in the receiving coil 22 induced voltage actually to zero is made, then takes place in the arrangement according to the invention with the aid of the potentiometer 28, 30. When the coil assembly is matched in this way, and preferably still is provided with the ferrite plate 36 (Fig. 3), then leads to a disturbance of the field by a metal object, in particular by a ferromagnetic object, which is moved into the alternating magnetic field, to the fact that on the receiving coil 22 a resulting magnetic flux -effective, which leads to the development of a Output voltage between the coil terminals 32 and 34 leads. This output voltage can now amplified by means of the amplifier and demodulator circuit 14 and demodulated or rectified. The amplified, demodulated tension is then applied to a flip-flop which changes from a first to a second state tilts when the voltage supplied to it reaches a predetermined threshold value respectively.
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.Exceeds, so if a predetermined minimum disturbance of the magnetic Alternating field is determined. The output signal of the flip-flop can now optionally can still be amplified with the help of a switching amplifier (block 16) to suit Trigger signals, for example optical or acoustic signals, that the user the metal detector for the presence of a metal object in the ground to draw attention. If the metal detector is used as a proximity switch, then appropriate from the switching amplifier or from the output of the flip-flop Control signals for a machine control are tapped.
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.In addition, it should be noted that a metal element, which penetrates into the directed high-frequency field of the differential amplifier according to the invention, in a first approximation only the field generated by the outer transmitter coil 18 interferes and thus the magnetic coupling between the outer transmitting coil 18 and the receiving coil 22 changed while the coupling between the inner transmitting coil 20 and the receiving coil 22 remains essentially unchanged. This connection will from the field line representations according to FIGS. 3 and 5 clearly. Further it can be seen that the voltage induced in the receiving coil 22 is equal to the product from the number of turns of this coil and the resulting magnetic flux through this coil is made up of the sum of the two oppositely directed magnetic Fluxes results that are generated by the two transmitter coils.
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