DE9209303U1 - Einrichtung zum Orten eines Körpers - Google Patents

Description

Einrichtung zum Orten eines Körpers

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Orten eines elektrisch leitenden und/oder eines magnetischen Körpers, mit einer Wechselspannungsquelle, die ein Wechselsignal an eine Spulenanordnung abgibt, die ein magnetisches Wechselfeld erzeugt, in das der Körper unter Störung des Wechselfeldes eingebracht werden kann, und mit einer Auswerteeinheit, die eine Änderung des Wechselfeldes feststellt und anzeigt.

Eine derartige Einrichtung kann beispielsweise zum Aufsuchen von verdeckt angeordneten metallischen Körpern verwendet werden, beispielsweise von Rohrleitungen oder elektrischen Leitungen in Wänden, im Erdboden etc. Bei einer derartigen bekannten Einrichtung bildet die Spulenanordnung einen Teil eines elektrischen Schwingkreises, der mit seiner Eigenfrequenz schwingt. Wird in das von der Spulenanordnung erregte magnetische Wechselfeld der elektrisch leitende Körper eingebracht, so werden

in diesem Wirbelströme erzeugt, deren Energie der Spulenanordnung entnommen wird. Der elektrische Schwingkreis wird dadurch gedämpft. Die Abnahme der Amplitude des Schwingkreises wird von der Auswerteeinheit registriert und zur Anzeige gebracht. Anhand dieser Anzeige kann festgestellt werden, ob sich ein elektrisch leitender Körper in der Nähe der Spulenanordnung befindet. Bei der Detektion eines magnetischen Körpers sind die physikalischen Gegebenheiten ähnlich. Im Körper entstehen Magentisierungsverluste, die eine Dämpfung des elektrischen Schwingkreises über die Spulenanordnung bewirken.

Die bekannte Spulenanordnung verwendet eine einzige Spule, die gleichzeitig zum Erzeugen des magnetischen Wechselfeldes und zum Erfassen der Störung des Wechselfeldes dient. Die sich daraus ergebenden technischen Anforderungen an die Spulenanordnung sind mit einer einzigen Spule nicht optimal zu erfüllen» Außerdem hängt die Dämpfung eines Schwingkreises nicht allein von den im Körper entstehenden elektrischen Verlusten ab, sondern auch von anderen Größen, beispielsweise der Änderung der Güte des Schwingkreises infolge einer Temperaturänderung. Insgesamt führt dies dazu, daß mit der bekannten Einrichtung nur eine unzureichende Ansprechempfindlichkeit auf elektrisch leitende und/oder magnetische Körper erzielt wird, so daß diese Körper nicht hinreichend genau geortet werden können.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung anzugeben, die eine hohe Ansprechempfindlichkeit auf elektrisch leitende und/oder magnetische Körper hat und die flexibel einsetzbar ist.

Diese Aufgabe wird für eine Einrichtung eingangs genannter Art dadurch gelöst, daß die Spulenanordnung eine Sendespule und eine Empfangsspule enthält, die miteinander magnetisch gekoppelt sind, daß das Wechselsignal der Sendespule zugeführt ist, und daß das von der Empfangsspule erzeugte Signal einen durch das Wechselsignal gesteuerten Synchrondemodulator zugeführt ist, der ein Gleichsignal erzeugt, das der Auswerteeinheit zugeführt ist.

Gemäß der Erfindung besteht die Spulenanordnung aus einer Sendespule und einer Empfangsspule. Dadurch ist es möglich, die Sendespule und die Empfangsspule unterschiedlich auszulegen, so daß jede Spule optimal an den Anwendungsfall angepaßt werden kann. Um z.B.eine hohe Tiefenwirkung zu erzielen, kann es vorteilhaft sein, eine Sendespule mit großem Durchmesser zu verwenden. Das von einer solchen Sendespule erzeugte magnetische Feld umfaßt einen relativ großen Raum, so daß auch Körper tief im Erdboden oder in einer Wand detektiert werden können. Eine Empfangspule mit kleinem Durchmesser ist z.B. dann vorteilhaft, wenn eine hohe Ortsauflösung beim Detektieren des Körpers erreicht werden soll.

Der bei der Erfindung verwendete Synchrondemodulator erzeugt ein Gleichsignal, dessen Amplitude sowohl von der Amplitude des von der Empfangsspule erzeugten Signals als auch vom Phasenwinkel zwischen diesem und dem Wechselsignal anhängt, das der Sendespule zugeführt wird. Der Synchrondemodulator kann so eingestellt werden, daß sowohl bei einer Phasenänderung als auch bei einer Amplitudenänderung des ihm zugeführten Signals

sich sein Ausgangssignal jeweils gleichsinnig ändert. Beim Einbringen eines Körpers in das magnetische Wechselfeld der Sendespule ändert sich bekanntlich sowohl der Phasenwinkel zwischen dem Wechselsignal und dem von der Empfangsspule erzeugten Signal als auch dessen Amplitude. Durch die Verwendung des Synchrondemodulators spricht die Einrichtung nach der Erfindung dementsprechend empfindlich an, wenn ein Körper vom magnetischen Wechselfeld erfaßt wird.

Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das gegebenenfalls verstärkte und geglättete Signal des Synchrondemodulators einem ersten Anschluß eines Differenzverstärkers zugeführt ist, dessen zweiter Anschluß ein Gleichspannungssignal mit vorgebbarem Spannungspegel zugeführt ist, und daß das Ausgangssignal des Differenzverstärkers an die Auswerteeinheit ausgegeben wird.

Der Differenzverstärker verstärkt die an seinen Eingangsanschlüssen auftretende Spannungsdifferenz. Durch die Vorgabe eines Gleichspannungssignals am zweiten Eingangsanschluß kann für einen vorgegebenen Betriebszustand der Einrichtung ein Ausgangssignal des Differenzverstärkers mit vorgegebenem Pegel eingestellt werden, beispielsweise Nullpegel. Dieser Zustand definiert einen Ausgangszustand der Einrichtung, beispielsweise zu Beginn eines Suchvorgangs, bei dem ein Körper aufgespürt werden soll. Dabei wird die Einrichtung zunächst bei Abwesenheit des Körpers betrieben und der Spannungspegel des Gleichspannungssignals so eingestellt, daß das Ausgangssignal des Differenzverstärkers annähernd Nullpegel hat. Anschließend beginnt der Suchvorgang nach dem Körper. Bei Annäherung an den Körper

bzw. Vergrößerung des Abstands zum Körper ändert sich die Amplitude des von der Empfangsspule erzeugten Signals und/oder dessen Phasenwinkel in bezug auf das der Sendespule zugeführte Wechselsignal. Folglich wird der Betrag der Eingangsspannungsdifferenz zwischen dem ersten Anschluß und dem zweiten Anschluß des Differenzverstärkers vergrößert bzw. verringert. Diese Änderung der Eingangsspannungsdifferenz wird, multipliziert mit dem Verstärkungsfaktor des Differenzverstärkers, in dessen Ausgangssignal abgebildet. Die Einrichtung kann somit Änderungen im magnetischen Wechselfeld, die von einem Körper hervorgerufen werden, empfindlich registrieren.

Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Signal des Synchrondemodulators über einen manuell betätigbaren Schalter einem Halteglied zugeführt ist, dessen Ausgangsspannung dem zweiten Anschluß des Differenzverstärkers zugeführt ist&ogr;

Durch diese Maßnahme ist es möglich, die relative Ansprechempfindlichkeit der Einrichtung während eines Suchvorganges nach einem Körper zu steigern. Durch das Betätigen des Schalters wird der Ausgang des Halteglieds, das die ihm einmal zugeführte Spannung auch nach dem Ausschalten des Schalters an seinem Ausgang aufrecht erhält, auf den aktuellen Spannungspegel des ersten Anschlusses des Differenzverstärkers gelegt. Die Eingangsspannungsdifferenz des Differenzverstärkers ist dann gleich Null, so daß auch die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers den Pegel Null hat. Beim Öffnen des Schalters bleibt dieser Zustand zunächst aufrechterhalten. Nähert sich die Einrichtung einem Körper, so

nimmt die Amplitude des Gleichsignals des Synchrondemodulators zu, die Eingangsspannungsdifferenz hat folglich einen endlichen Wert und das Ausgangs signals des Differenzverstärkers nimmt zu. Dieses Ausgangssignal wird über die Auswerteeinheit angezeigt. Wenn im weiteren Verlauf die Einrichtung weiter auf den Körper zubewegt wird, erreicht das Ausgangssignal des Differenzverstärkers einen hohen Pegel, so daß die auf diesen Pegel bezogene relative Änderung des Ausgangssignals klein ist, bei sonst gleicher Änderung des Gleichsignals. Durch erneutes Schließen des Schalters mit nachfolgendem Öffnen wird das Ausgangssignal des Differenzverstärkers auf Nullpegel zurückgesetzt. Bei diesem Pegel ist die relative Änderung des Ausgangssignals maximal. Durch mehrfaches Betätigen des Schalters beim Anähern an einen zu erfassenden Körper kann also das Gerät so eingestellt werden, daß es jeweils maximale relative Ansprechempfindlichkeit hat. Auf diese Weise läßt sich ein verborgener Körper selbst in großer Tiefe noch genau lokalisieren.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen erläutert.

Darin zeigt

Figur 1 ein Blockschaltbild einer Einrich

tung zum Orten eines Körpers,, und

Figur 2 eine Spulenanordnung mit einer Sen

despule und einer Empfangsspule.

In Figur 1 wird eine Sendespule 10 mit einem Wechselsignal 12 gespeist, das ein Oszillator 14 erzeugt. Der

Oszillator 14 schwingt mit einer Frequenz von 30 kHz und speist die Sendespule 10 mit konstantem Wechselstrom. Eine Empfangsspule 18 ist mit der Sendespule 10 magnetisch gekoppelt. Das in ihr induzierte Signal 20 ist einem Verstärker 22 zugeführt, der dieses Signal 20 filtert und verstärkt. Das Ausgangssignal des Verstärkers 22 wird einem Synchrondemodulator 16 zugeführt, der durch das Wechselsignal 12 des Oszillators 14 gesteuert ist. Der Phasenwinkel &rgr; zwischen dem Ausgangssignal des Verstärkers 22 und dem Wechselsignal 12 kann am Synchrondemodulator 16 eingestellt werden.

Der Synchrondemodulator 16 erzeugt ein Gleichsignal 24, das einem Gleichspannungsverstärker 26 zugeführt und von diesem verstärkt wird. Das Ausgangssignal 27 des Verstärkers 26 wird dem nicht invertierenden Eingang 30 eines Differenzverstärkers 28 sowie einem Tastschalter 34 zugeführt, der manuell durch eine Bedienperson der Einrichtung kurzzeitig geschlossen und dann wieder geöffnet wird. Im geschlossenem Zustand des Tastschalters 34 wird das Ausgangssignal 27 einem Halteglied 36 zugeführt, das an seinem Ausgang die ihm zuletzt zugeführte Spannung abgibt und aufrechterhält.

Die vom Halteglied 36 abgegebene Ausgangsspannung 37 wird dem invertierenden Eingang 32 des Differenzverstärkers 28 zugeführt. Der Differenzverstärker 28 verstärkt die zwischen seinen Eingängen 30, 32 herrschende Differenzspannung Ud. Seine Ausgangsspannung 38 wird einem steuerbaren Tongenerator 40 zugeführt, der ein Tonsignal 42 von 400 Hz erzeugt, dessen Amplitude von der Amplitude des Ausgangssignals 38 linear abhängt. Das Tonsignal 42 wird einem Lautsprecher 44 und einer

lichtemitierenden Diode 46 zugeführt, die als analoge Anzeigeeinheiten dienen.

Das Tonsignal 42 des Tongenerators 40 wird so eingestellt, daß bei einem Ausgangssignal 38 des Differenzverstärkers 28 mit einem Pegel annähernd gleich Null der Lautsprecher 44 sowie die lichtemittierende Diode 46 einen schwachen Ton bzw. ein Lichtsignal geringer Helligkeit abgeben. Wenn der Pegel des Ausgangssignals 38 ansteigt, so schwillt auch der Ton des Lautsprechers 44 an bzw. die Helligkeit der lichtemittierenden Diode 46 nimmt zu.

Im folgenden wird anhand des Blockschaltbildes nach Figur 1 die Funktionsweise der Einrichtung zum Orten eines elektrisch leitenden Körpers am Beispiel einer Leitungssuche in einer Wand beschrieben. Nach dem Einschalten der Einrichtung erzeugt die Sendespule 10 ein magnetisches Wechselfeld, das auch die Empfangsspule 18 durchsetzt. Das von der Empfangsspule 18 erzeugte Signal 20 wird verstärkt und im Synchrondemodulator entsprechend der Amplitude des vom Verstärker 22 abgegebenen Signals und der zwischen diesem und dem Wechselsingal vorhandenen Phasendifferenz in das Gleichsignal 24 umgewandelt. Dieses Gleichsignal 24 wird vom Verstärker 26 verstärkt und dem Differenzverstärker 28 zugeführt.

In Abwesenheit eines elektrisch leitenden Körpers betätigt die Bedienperson der Einrichtung kurz den Tastschalter 34, so daß das am nicht invertierenden Eingang 30 des Differenzverstärkers 28 anliegende Signal auch

am invertierenden Eingang 32 anliegt. Die Eingangsspannungsdifferenz Ud ist somit gleich Null, und der Differenzverstärker 28 gibt an seinem Ausgang das Ausgangssignal 38 mit Pegel gleich Null ab. Wie oben beschrieben, erzeugt in diesem Betriebszustand der Lautsprecher 44 einen schwachen Ton bzw. die lichtemittierende Diode 46 ein Lichtsignal geringer Helligkeit.

Danach wird die Spulenanordnung mit der Sendespule 10 und der Empfangsspule 18 längs der Wand bewegt, in der sich die zu suchende elektrische Leitung befindet. Bei Annäherung an diese Leitung wird das von der Sendespule erzeugte magnetische Feld infolge der im Leiter induzierten elektrischen Ströme gestört. Diese Störung hat zur Folge, daß in der Empfangsspule ein Signal 20 mit vergrößerter Amplitude erzeugt wird. Der Synchrondemodulator gibt dementsprechend ein Gleichsignal mit höherer Amplitude ab, und die Eingangsspannungsdifferenz Ud nimmt zu. Folglich wird auch der Pegel der Ausgangsspannung 38 größer, und das vom Lautsprecher abgegebene Tonsignal wird lauter bzw. die lichtemittierende Diode 46 leuchtet heller auf. Das akustische und das optische Signal werden von der Bedienperson wahrgenommen, und die Annäherung an die verborgene Leitung wird registriert.

Da die Höhr- und Sehempfindlichkeit eines Menschen einer Logarithmusfunktion folgen, ist bei einem hohen Schallpegel bzw. Helligkeitspegel eine weitere konstante Zunahme der Schallamplitude bzw. der Helligkeit für den Menschen kaum erkennbar. Eine genaue Lokalisierung der Leitung in der Wand wird somit erschwert.

Um die relative Ansprechempfindlichkeit, d.h. die relative Zunahme des Tonsignals bzw. des Lichtsignals bezogen auf den aktuellen Wert des Tonsignals bzw. des Lichtsignals, zu erhöhen, betätigt der Bediener erneut kurz den Tastschalter 34, so daß der Differenzverstärker 28 ein Ausgangssignal 38 mit Nullp egel abgibt. Der Lautsprecher 44 bzw. die lichtemittierende Diode 46 geben dann wieder ein schwaches Tonsignal bzw. ein Lichtsignal geringer Helligkeit ab. Bei weiterer Annäherung an die Leitung in der Wand nimmt die Eingangsspannungsdifferenz Ud wieder zu und somit auch der Pegel der Ausgangsspannung 38. Entsprechend gibt der Lautsprecher 44 ein stärkeres Tonsignal bzw. die Diode 46 ein Lichtsignal größerer Helligkeit ab. Die relative Zunahme des Tonsignals bzw. der Helligkeit bezogen auf den jeweiligen Ausgangswert ist erhöht, was von der Bedienperson als Unterschied zum Ausgangszustand erkannt wird. Die deutliche Wahrnehmung der Annäherung an den zu suchenden Leiter ist somit gewährleistet. Die Bedienperson kann durch mehrmaliges Betätigen des Tastschalters 34 während des Annäherns an den Leiter die Einrichtung so steuern, daß die Zunahme der Annäherung deutlich durch den Lautsprecher 44 bzw. die Diode 46 angezeigt wird. Auf diese Weise kann die Leitung in der Wand sehr genau lokalisiert werden.

In Figur 2 ist die Spulenanordnung in einer Draufsicht und in einem Querschnitt dargestellt. Auf einem Spulenkörper 50 ist die Sendespule 10, bestehend aus 4o Wicklungen Kupferdraht, aufgewickelt. Die Sendespule 10 hat einen mittleren Durchmesser von ca. 8 cm. Konzentrisch zur Sendespule 10 ist die Empfangsspule 18 in

der Ebene der Sendespule 10 angeordnet. Die Empfangspule 18 hat einen mittleren Durchmesser von 4 cm und besteht aus 40 Wicklungen Kupferdraht. Die Sendespule 10 und die Empfangsspule 18 sind mit Kunstharz vergossen. Der Spulenkörper 50 wird mit einem nicht dargestellten Deckel verschlossen. Die vorgenannten technischen Daten stellen einen Kompromiß aus hoher Ortsauflösung und hoher Tiefenwirkung beim Orten von Körpern dar und haben sich in der Praxis bei der Suche nach Leitungen in Wänden gut bewährt.

Claims (14)

Schutzansprüche

1. Einrichtung zum Orten eines elektrisch leitenden und/oder eines magnetischen Körpers, mit einer Wechselspannungsquelle, die ein Wechselsignal an eine Spulenanordnung abgibt, die ein magnetisches Wechselfeld erzeugt, in das der Körper unter Störung des Wechselfeldes eingebracht werden kann, und mit einer Auswerteeinheit, die eine Änderung des Wechselfeldes feststellt und anzeigt, dadurch gekennzeichnet:, daß die Spulenanordnung eine Sendespule (10) und eine Empfangsspule (18) enthält, die miteinander magnetisch gekoppelt sind, daß das Wechselsignal (12) der Sendespule (10) zugeführt ist, und daß das von der Empfangsspule (18) erzeugte Signal (20) einem durch das Wechselsignal (12) gesteuerten Synchrondemodulator (16) zugeführt ist, der ein Gleichsignal (24) erzeugt, das der Auswerteeinheit zugeführt ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß das gegebenenfalls verstärkte und geglättete Gleichsignal (24) des Synchrondemodulators (16) einem ersten Anschluß (30) eines Differenzverstarkers (28) zugeführt ist, dessen zweiter Anschluß (32) ein Gleichspannungssignal mit vorgebbarem Spannungspegel zugeführt ist, und daß das Ausgangssignal des Differenzverstärkers (28) an die Auswerteeinheit (40) ausgegeben wird.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich net, daß das Gleichsignal (24) des Synchrondemodualtors (16) über einen manuell betätigbaren

Schalter (34) auch einem Halteglied (36) zugeführt ist, dessen Ausgangsspannung (37) dem zweiten Anschluß (32) des Differenzverstärkers (28) zugeführt ist.

4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet:, daß die Auswerteeinheit einen steuerbaren Tongenerator (40) enthält, dem das Gleichsignal des Synchrondemodulators bzw. das Signal (38) des Differenzverstärkers (28) zugeführt ist, und daß das vom Tongenerator (40) abgegebene Signal (42) einer analogen Anzeigeeinheit zugeführt ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich net, daß als Anzeigeeinheit eine akustische (44) und/oder eine optische Anzeige (42) vorgesehen ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich net, daß als optische Anzeige eine lichtemittierende Diode (46) vorgesehen ist.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Betrieb des Tongenerators (40) so eingestellt ist, daß bei einem Signal (38) des Differenzverstärkers (28) mit einem Pegel annähernd gleich Null die Anzeigeeinheit (44, 46) ein Signal geringer Amplitude abgibt, und daß bei Zunahme des Pegels des Signals (38) des Differenzverstärkers (28) die Amplitude des Signals der Anzeigeeinheit (44, 46) zunimmt.

8. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendespule

(10) und die Empfangsspule (18) konzentrisch zueinander und vorzugsweise in einer Ebene angeordnet sind.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich net, daß das Verhältnis von Durchmesser der Sendespule (10) zu Durchmesser der Empfangsspule (18) annähernd 2 : 1 ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich net, daß der Außendurchmesser der Sendespule (10) etwa 8 cm beträgt.

11. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet:, daß die Sende- (10) und die Empfangsspule (18) in einem Gehäuse in Kunstharz eingegossen sind.

12. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenanordnung an ein Kabel anschließbar ist, das das Wechselsignal für die Sendespule und das Signal der Empfangsspule überträgt.

13. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendespule (10) und die Empfangsspule (18) voneinander galvanisch getrennt sind.

14. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendespule (10) mit konstantem Wechselstrom konstanter Frequenz, vorzugsweise 30 kHz, gespeist ist.