DE4212363C2 - Metalldetektor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Metalldetektor der im Oberbe­ griff des Anspruchs 1 angegebenen Art.

Metalldetektoren sind in den unterschiedlichsten Ausführun­ gen bekannt. Die bekannten Metalldetektoren sind grundsätzlich - je nach Ausgestaltung des Suchoszillators - zwei Geräteklassen zuzuordnen, nämlich einmal dem sogenann­ ten Sinus- und zum anderen dem Pulssystem. Der Metalldetek­ tor der eingangs genannten Art ist dem Sinussystem zuzuord­ nen, entsprechend dem die Suchspule mit einem kontinuierli­ chen, magnetischen Wechselfeld arbeitet. Die Suchspule wird in diesem Fall von einem sinusförmigen Strom vorbestimmter Frequenz durchflossen. Die Wirkung eines derartigen Metall­ detektors beruht darauf, daß in Metallgegenstände, die in den Wirkungsbereichs des Suchspulen-Wechselfelds gelangen, Wirbelströme induziert werden, die ein sekundäres Wechsel­ feld festlegen, das durch magnetische Rückwirkung auf die Suchspule deren Impedanz modifiziert. Die Impedanzänderung der Suchspule, die beispielsweise als LC-Schwingkreis aus­ gebildet sein kann, kann in unterschiedlichster Weise als Metallobjektortungssignal ausgewertet werden.

Eine einfache Form der Auswertung sieht es vor, die mit der Impedanzänderung der Suchspule verbundene Frequenzänderung mit einer Bezugsfrequenz zu vergleichen. Dementsprechende Metalldetektoren sind in Gestalt sogenannter BFO-Geräte be­ kannt, die auch als Schwebungssummer bezeichnet werden. Diese Detektoren sind jedoch relativ unempfindlich und dar­ über hinaus instabil. Nachteilig sind bei diesem bekannten Detektor außerdem Störeffekte aufgrund der notwendigerweise relativ hohen Betriebsfrequenz.

Es ist auch bekannt, die Frequenzänderung der Suchspule bzw. des Schwingkreises eines Metalldetektors durch PLL-Schaltkreise auszuwerten. Demnach ist es vorgesehen, den Schwingkreis oder den Suchoszillator in einer phasengere­ gelten Schleife anzuordnen, wobei die Frequenz des Suchos­ zillators einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) syn­ chronisiert, der auf einer vorgegebenen Frequenz einrastet. Jede Verstimmung des Suchoszillators bewirkt eine Phasen­ verschiebung zwischen dem eingerasteten VCO und der Span­ nung des Suchoszillators. Diese Phasenverschiebung wird in einer Regelschleife ausgeglichen und die Regelspannung kann als Maß für die Größe der Verstimmung, also als Anwesen­ heitskriterium für Metall benutzt werden.

Obwohl mit einem Metalldetektor, bei dem der Suchoszillator in einem PLL-Schaltkreis angeordnet ist, bessere Ergebnisse erzielbar sind als mit dem vorausgehend beschriebenen Me­ talldetektor, arbeitet er nicht in allen Fällen der Praxis zufriedenstellend, da einer Frequenzauswertung grundsätzlich klare Grenzen gesteckt sind. Ein weiterer Nachteil dieser Art von Metalldetektor besteht darin, daß bestimmte Suchob­ jekte mit Bezug auf ihre Größe, Form und Materialbeschaf­ fenheit die Betriebsfrequenz des Suchoszillators nicht in der für einen Nachweis benötigten Größenordnung zu verstim­ men vermögen. Dies ist in der Praxis ein erheblicher Nach­ teil, weil die Nachweisempfindlichkeit schlagartig abnimmt und eine Detektion eines Metallteils erschwert oder unmög­ lich gemacht wird.

Ein Vorteil der Frequenzdetektion besteht jedoch darin, daß beispielsweise zwischen Eisen- und Nichteisen-Metallen un­ terschieden werden kann. Dies trifft zumindest für kleinere Metallteile zu. Ausgenutzt wird dabei, daß die Permeabili­ tät von Eisenteilen die Spuleninduktion erhöht, wodurch die Betriebsfrequenz des Metalldetektor-Suchoszillators ab­ sinkt. Dieser Effekt ist jedoch lediglich für kleinere Ei­ senteile auswertbar, weil größere Eisenteile aufgrund von Wirbelstromeffekten eine Frequenzerhöhung bewirken und da­ mit ein Nichteisenmetallteil vortäuschen. Obwohl also in beschränktem Umfang aus materialabhängigen Frequenzverstim­ mungen des Metalldetektor-Suchoszillators Objektinformatio­ nen gewonnen werden können, sind entsprechende Metalldetek­ toren nicht zum Nachweis für sämtliche Metallobjekte ge­ eignet. Insbesondere mangelt es diesen Metalldetektoren an der erforderlichen Tiefenwirkung.

Eine gute Tiefenwirkung wird hingegen mit einem Metallde­ tektor der eingangs genannten Art erreicht, bei dem die Am­ plitudenänderung eines frei schwingenden, dämpfungsempfind­ lichen Suchoszillators zur Metallerfassung ausgewertet wird. Ein derartiger Metalldetektor, der über eine relativ hohe Nachweisempfindlichkeit und damit Tiefenwirkung ver­ fügt, ist beispielsweise aus der DE-PS 25 49 329 bekannt. Dabei handelt es sich um einen Waffendetektor, der unter anderem bei der Personenkontrolle an Flughäfen eingesetzt wird. Grundsätzlich eignen sich auf dem Dämpfungsprinzip beruhende Metalldetektoren auch zur Kampfmittelräumung, wo es auf eine hohe Tiefenwirkung im Zusammenhang mit verbor­ genen Munitionskörpern ankommt.

Dem Vorteil einer hohen Empfindlichkeit und guten Störun­ terdrückung steht den sogenannten Dämpfungsmetalldetekto­ ren jedoch der Nachteil gegenüber, daß durch eine Auswer­ tung der Suchoszillatoramplituden keine Unterscheidung zwi­ schen Eisen- und Nichteisen-Metallen möglich ist, da sich die Amplitude bei Einwirkung sämtlicher leitfähiger Me­ dien negativ verändert. Das heißt, die Amplitude des Such­ oszillators wird je nach Bedämpfung des Schwingkreises auf­ grund des erfaßten Metallobjekts kleiner. Bei einer Boden­ mineralisierung, insbesondere in Gegenwart magmatischer Steine, kann die Suchoszillatoramplitude jedoch zunehmen, wodurch zwischen Stör- und Nutzsignalen eine Unterscheidung getroffen werden kann.

Aus der US 3 699 429 und der DE-AS-16 98 658 sind Vor­ richtungen zur Identifikation geologischer Schichten be­ kannt. Dabei beeinflussen die geologischen Schichten einen im Suchkopf angeordneten Meßkondensator. Zur Auswertung werden Amplitude und Frequenz eines Anzeigesignals aus­ gewertet. Eine Beeinflussung dieser Größen durch Auswir­ kungen der zu untersuchenden Bereiche auf eine Suchspule wird nicht berücksichtigt. Da Metallgegenstände speziell auf eine solche Suchspule wirken, sind die Vorrichtungen zur Metalldetektion nicht besonders gut geeignet. Aus der US 3 651 395 ist eine Vorrichtung bekannt, die Signale an Gas- oder Öllagerstätten reflektierter Mikrowellen auf Lei­ stung, Frequenz und Wellenform mittels eines Signalauswer­ ters untersucht. Aufgrund der Transmissions- und Refle­ xionseigenschaften der Mikrowellenstrahlung ist diese Vor­ richtung zur Metalldetektion ungeeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Metalldetektor der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem neben einer Objektlage- und -größenbestimmung auch eine Objektmaterialbestimmung zuverlässig gewährleistet ist.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merk­ male des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Er­ findung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung sieht demnach mit anderen Worten eine Modifi­ kation des gattungsgemäßen, nach dem Dämpfungsprinzip ar­ beitenden Metalldetektors derart vor, daß auch eine Fre­ quenzänderung des Suchoszillators aufgrund der Anwesenheit eines Metallobjekts erfaßt und angezeigt, vor allem kombi­ niert mit der Amplitudenänderung angezeigt werden kann. Die Erfindung beruht demnach auf der Erkenntnis, daß ein Me­ talldetektor, der sich sowohl das Dämpfungsprinzip wie das Frequenzveränderungsprinzip zunutze macht, zu einem Detek­ tionsergebnis führt, dessen korrekte Bewertung weit über die Vorteile eines Metalldetektors hinausgeht, der aus­ schließlich entweder auf dem Dämpfungsprinzip oder auf dem Frequenzänderungsprinzip beruht, wobei die Nachteile dieser beiden Metalldetektorspezien vermieden werden. Geschaffen wird durch die Erfindung insbesondere ein Metalldetektor mit hoher Tiefenwirkung und der Unterscheidungsfähigkeit zwischen Eisen- und Nichteisenmetallobjekten.

Die Erfindung geht wesentlich über eine Kombination an sich bekannter Metalldetektoren, die zum einen auf dem Dämpfungsprinzip und zum anderen auf dem Frequenzverände­ rungsprinzip beruhen, hinaus. Man macht sich bei der Erfin­ dung die überraschende Erkenntnis zu Nutze, daß die Bewer­ tung des Detektionsergebnisses eines gattungsgemäßen, nach dem Dämpfungsprinzip arbeitenden Metalldetektors durch ein Detektionsergebnis auf der Grundlage einer Frequenzverände­ rung Detektionsergebnisse liefert, die selbst unter gleich­ zeitiger Verwendung von Metalldetektoren nach dem Dämpfungs- und Frequenzveränderungsprinzip nicht erzielt werden können, ganz abgesehen davon, daß die gleichzeitige Verwendung zweier Metalldetektoren in der Praxis unprak­ tisch und unwirtschaftlich ist.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Er­ findung ist eine Verarbeitungseinheit zum Verarbeiten eines zur Suchoszillator-Amplitudenänderung proportionalen Sig­ nals mit einem zur Suchoszillator-Frequenzänderung pro­ portionalen Signal vorgesehen, wobei das Vergleichsergebnis über eine vorzugsweise optische Anzeigeeinrichtung ange­ zeigt wird. Unter Verarbeitung wird erfindungsgemäß jede Art von Operation auf der Grundlage der beiden genannten Signale verstanden, die zu einem hochempfindlichen sowie materialspezifischen Detektionsergebnis führt. Beispiels­ weise kann die Verarbeitungseinheit als Vergleicher ausge­ bildet sein, der zur Erzeugung eines aussagekräftigen De­ tektionssignals die Amplituden- und die Frequenzänderung der an den Vergleicher angelegten Signale in Größe und/oder Richtung miteinander vergleicht.

Begleitend oder alternativ zu der vorgenannten Verarbei­ tungseinheit ist erfindungsgemäß ein Modulator zur Modula­ tion der vorzugsweise akustischen Amplitudenänderungsan­ zeige vorgesehen, wobei die Modulation dieses akustischen Anzeigesignals auf der Grundlage der erfaßten Frequenzän­ derung erfolgt.

Der erfindungsgemäße Metalldetektor kann vorteilhafter­ weise in verschiedenen Modi betrieben werden, nämlich ein­ mal als Detektor nach dem Dämpfungsprinzip, zum anderen als Detektor nach dem Frequenzänderungsprinzip sowie als Detek­ tor zur kombinierten Bewertung von Detektionsergebnissen nach beiden Ermittlungsprinzipien, wobei eine Anzeige der entsprechend miteinander kombinierten Detektionssignale akustisch und/oder optisch erfolgen kann. Der erfindungs­ gemäße Metalldetektor ist deshalb für die unterschiedlich­ sten Einsatzgebiete optimal einsetzbar.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden; die einzige Figur in der Zeichnung zeigt ein schematisches Schaltbild des erfindungsgemäßen Metall­ detektors.

Der dämpfungsempfindliche Suchoszillator des Metalldetek­ tors ist als LC-Kreis ausgebildet und umfaßt eine Detektor­ suchspule 1, einen parallel zu dieser geschalteten Konden­ sator 1a sowie weitere Bauteile, die symbolisch mit dem Be­ zugszeichen 2 versehen sind. Der Ausgang des Suchoszilla­ tors ist an einen Gleichrichter 3 angeschlossen, der aus der Amplitude des Suchoszillators eine DC-Richtsspannung er­ zeugt. Die Gleich- oder Richtspannung des Gleichrichters 3 wird einem diesem nachgeschalteten Verstärker 4 zugeführt, der als Gleichspannungsverstärker oder DC-Verstärker aus­ gelegt ist. An dem Ausgang des Verstärkers 4 ist ein Span­ nungsfrequenzwandler 5 angeschlossen, durch den die ver­ stärkte DC-Richtspannung in ein akustisches Signal umge­ wandelt wird, das über einen Lautsprecher 6 wiedergegeben wird, der an dem Ausgang des Spannungsfrequenzwandlers 5 angeschlossen ist.

In der Gegenwart leitfähiger Objekte wird die Amplitude des dämpfungsempfindlichen Suchoszillators kleiner, und diese Amplitudenabnahme wird durch den Lautsprecher 6 angezeigt.

Bei Einwirkung leitfähiger Objekte, wie beispielsweise von Metall oder von ferritischen Teilen, ändert sich außerdem die Betriebsfrequenz des Suchoszillators. Zur Erfassung der Frequenzänderung des Suchoszillators bei Anwesenheit eines leitfähigen Objekts ist ein Frequenzvergleicher 8 vorgese­ hen, dessen Eingang mit dem Suchoszillatorsignal beauf­ schlagt ist, das über eine Leitung 8a vom Suchoszillator zum Vergleicher 8 übertragen wird. Der Vergleicher 8 er­ zeugt intern eine Bezugsfrequenz und vergleicht diese mit der Frequenz des am Vergleichereingang anliegenden Suchos­ zillatorsignals. Eine Frequenzerhöhung (Δf), d. h. eine Suchoszillatorfrequenz, die über der Bezugsfrequenz liegt, zeigt die Anwesenheit eines Nichteisenmetalls (Ne-Metall) an, während das negative Vergleichsergebnis (-Δf) die Anwesenheit eines Eisenmetalls (Fe-Metall) anzeigt. An ei­ nem Ausgang des Vergleichers 8 ist eine optische Anzeige­ einrichtung 11 angeschlossen, die beispielsweise als Null­ instrument ausgelegt ist, wobei ein Zeigerausschlag in die positive Richtung die Anwesenheit eines Nichteisenmetalls und ein Ausschlag in die negative Richtung die Anwesenheit eines Eisenmetalls anzeigt.

Ferner ist ein Signal- oder Frequenzmodulator 9 vorgesehen, der an einem weiteren Ausgang des Frequenzvergleichers 8 zum Empfang des Vergleichsergebnisses aus dem Vergleicher 8 angeschlossen ist. Der Ausgang des Modulators 9 ist an dem Spannungsfrequenzwandler 5 angeschlossen und steuert dessen Eingang, indem das in der Einrichtung 5 erzeugte akustische Signal mit dem Modulationssignal des Modulators 9 moduliert wird. Beispielsweise ist der Modulator 9 als Frequenzmodu­ lator ausgelegt und erzeugt eine Steuerspannung in Abhän­ gigkeit vom Eingangssignal, dessen Frequenz in Übereinstim­ mung mit dem Ergebnis des im Frequenzvergleicher 8 vorge­ nommenen Frequenzvergleichs ansteigt oder abfällt. Auf die­ se Weise kann über den Lautsprecher 6 akustisch zwischen Eisen- und Nichteisen-Metallen unterschieden werden.

Weitere Informationen über das durch den Metalldetektor er­ faßte Metallobjekt werden erfindungsgemäß durch eine Verar­ beitungseinheit 7 erreicht, die die Suchoszillator-Fre­ quenzänderung mit der Suchoszillator-Amplitudenänderung aufgrund der Anwesenheit eines Metallobjekts verarbeitet. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Verarbeitungsein­ heit als Amplituden-/Frequenzvergleicher 7 ausgebildet.

Der Vergleicher 7 weist zwei Eingänge auf. Ein Eingang des Vergleichers 7 ist mit einem Ausgang des Frequenzverglei­ chers 8 und der andere Eingang des Vergleichers 7 ist mit dem Ausgang des Verstärkers 4 verbunden. Der Vergleicher 7 ist so ausgelegt, daß er einen Vergleich des Spannungspe­ gels des am Ausgang des Verstärkers 4 anliegenden Signals (Gleichspannungssignal) mit einem Spannungssignal vom Fre­ quenzvergleicher 8 durchführt, das die Frequenzänderung mit Bezug auf die Bezugsfrequenz beinhaltet. In dem Vergleicher 7 wird der Dämpfungseffekt, also die Amplitudenänderung mit der Frequenzänderung in Größe und Richtung miteinander ver­ glichen. Dieses Vergleichsergebnis wird über eine Anzeige 10 optisch angezeigt, die an einen Ausgang des Vergleichers 7 angeschlossen und ebenfalls als Nullinstrument ausgelegt ist.

Beispielsweise kommt es bei großen Suchoszillator-Amplitu­ deneinbrüchen lediglich zu geringen Suchoszillator-Fre­ quenzänderungen. Dieses für ein bestimmtes Objekt typische Verhalten läßt Rückschlüsse auf Größe, Materialbeschaffen­ heit und Entfernung des verborgenen Objekts zu und eine entsprechende Auswertung wird über den Vergleicher 7 vorge­ nommen und durch die Anzeige 10 angezeigt.

Die Anzeigen 10 und 11 bieten zusätzlich zu der akustischen Anzeige 6 eine Fülle von Objektinformationen, die von her­ kömmlichen Metalldetektoren, die nach dem Dämpfungsprinzip oder nach dem Frequenzänderungsprinzip arbeiten, nicht ab­ geleitet werden können.

Der in der Figur schematisch dargestellte Metalldetektor kann in vielfältiger Weise abgewandelt werden. Beispiels­ weise kann die erfindungsgemäß vorgesehene Kombination ei­ ner Amplituden- und Frequenzauswertung auch durch einen Mi­ kroprozessor gewonnen werden, der an den dämpfungsempfind­ lichen Suchoszillator angeschlossen ist.

Ferner kann die Verarbeitung von Suchoszillator-Amplitude und -Frequenz auch auf einem anderen Weg als durch einen Vergleich erfolgen, nämlich beispielsweise durch eine Sum­ mierung und/oder Differenzierung der entsprechenden Ampli­ tuden- und Frequenzänderungen. In jedem Falle führt die kombinierte Auswertung der Amplituden- und Frequenzände­ rung zu bisher mittels Metalldetektoren nicht gewinnbaren Objektinformationen einschließlich Größe, Materialbeschaf­ fenheit und Entfernung des Suchobjekts.

Claims (11)

1. Metalldetektor
mit einem freischwingenden, dämpfungsempfindlichen Suchoszillator mit einer Suchspule und
mit einer Amplitudenanzeigeeinrichtung zum Anzeigen eines zur Suchoszillatoramplitude proportionalen Anzeigesignals, gekennzeichnet durch eine Frequenzanzeigeeinrichtung (11) zum Anzeigen eines von der Suchoszillatorfrequenz abgeleiteten zusätzlichen Anzeigesignals.

2. Metalldetektor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Frequenzvergleicher (8), der zwischen den Suchoszillator (1) und die Frequenzanzeigeeinrich­ tung (11) geschaltet ist und an diese ein der Differenz zwischen einer Bezugsfrequenz und der Suchoszillatorfrequenz entsprechendes Anzeigesi­ gnal ausgibt.

3. Metalldetektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzanzeigeeinrichtung (11) ein opti­ sches Anzeigegerät umfaßt.

4. Metalldetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitudenanzeigeeinrichtung (6) ein aku­ stisches Anzeigegerät umfaßt.

5. Metalldetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch
eine Verarbeitungseinheit (7) zum Verarbeiten eines zur Suchoszillator-Amplitudenänderung proportiona­ len Signals mit einem zur Suchoszillator-Frequenz­ änderung proportionalen Signal und
eine Anzeigeeinrichtung (10) zum Anzeigen des Ver­ arbeitungsergebnisses.

6. Metalldetektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungseinheit (7) als Vergleicher ausgebildet ist, der die Amplituden- und die Fre­ quenzänderungen der angelegten Signale in Größe und/oder Richtung miteinander vergleicht.

7. Metalldetektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungseinheit (7) eine Summenbildung der angelegten Signale und/oder eine Differenzbil­ dung derselben vorsieht.

8. Metalldetektor nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungseinheit (7) ein Amplituden-/Fre­ quenzvergleicher mit einer Auswerteeinheit ist, welcher zwischen einen Ausgang des Frequenz­ vergleichers (8) und einen Ausgang einer Einrich­ tung (3, 4) zur Gewinnung und Aufbereitung der Suchoszillatoramplitude geschaltet ist.

9. Metalldetektor nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigeeinrichtung (10) zum Anzeigen des Frequenz-/Amplitudenvergleichsergebnisses und des Auswerteergebnisses ein optisches Anzeigegerät (10) umfaßt.

10. Metalldetektor nach einem der Ansprüche 2 bis 9, gekennzeichnet durch einen von einem Ausgangssignal des Frequenzverglei­ chers (8) angesteuerten Modulator (9) zum Modulie­ ren des der Amplitudenanzeigeeinrichtung (6) zuge­ führten Anzeigesignals.

11. Metalldetektor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulator (9) ein Frequenzmodulator ist.