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WO2006076973A1 - Sensor zur ortung metallischer objekte sowie messgerät mit einem solchen sensor - Google Patents

Sensor zur ortung metallischer objekte sowie messgerät mit einem solchen sensor Download PDF

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WO2006076973A1
WO2006076973A1 PCT/EP2005/056093 EP2005056093W WO2006076973A1 WO 2006076973 A1 WO2006076973 A1 WO 2006076973A1 EP 2005056093 W EP2005056093 W EP 2005056093W WO 2006076973 A1 WO2006076973 A1 WO 2006076973A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
sensor
sensor according
coil
compensation transformer
transformer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2005/056093
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christoph Wieland
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Priority to JP2007551565A priority Critical patent/JP2008527388A/ja
Priority to EP05810995A priority patent/EP1842085A1/de
Priority to US11/576,925 priority patent/US20080084212A1/en
Publication of WO2006076973A1 publication Critical patent/WO2006076973A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V3/00—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation
    • G01V3/08—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation operating with magnetic or electric fields produced or modified by objects or geological structures or by detecting devices
    • G01V3/10—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation operating with magnetic or electric fields produced or modified by objects or geological structures or by detecting devices using induction coils
    • G01V3/104—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation operating with magnetic or electric fields produced or modified by objects or geological structures or by detecting devices using induction coils using several coupled or uncoupled coils
    • G01V3/105—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation operating with magnetic or electric fields produced or modified by objects or geological structures or by detecting devices using induction coils using several coupled or uncoupled coils forming directly coupled primary and secondary coils or loops
    • G01V3/107—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation operating with magnetic or electric fields produced or modified by objects or geological structures or by detecting devices using induction coils using several coupled or uncoupled coils forming directly coupled primary and secondary coils or loops using compensating coil or loop arrangements

Definitions

  • the present invention relates to a sensor for locating metallic objects according to the preamble of claim 1 and to a measuring device with such a sensor according to claim 10.
  • Inductive locating devices usually operate on the principle that a coil generates a magnetic field and a second coil again receives the magnetic field modified by a metal object.
  • the induced by metallic objects changes in the inductive properties are registered and evaluated by a receiving circuit of such a detector.
  • metallic objects trapped in a wall can in principle be located by means of one or more coils guided over the wall.
  • a technical difficulty in the detection of metallic objects is that the reaction of the objects to be located on the coil or the coils of the sensor arrangement is very small in terms of size. This applies in particular to the influence of non-ferromagnetic objects, such as, for example, the technically very important copper.
  • locating devices which compensate the empty signal by a second receiving coil, wherein the second receiving coil is connected to the first receiving coil such that the respective empty signals of the receiving coils cancel each other out.
  • the disadvantage of such a wiring is that influencing the receiving coils by an external metal object affects almost equally on both receiving coils and thus the relative signals, in absolute terms, are even smaller. Furthermore, additional costs result from an additional, second receiver coil.
  • a detector for locating metallic objects which has a receiving coil and a first transmitting coil, which are inductively coupled together.
  • a second transmitting coil is provided, which is also inductively coupled to the receiving coil.
  • the receiver coil and the two transmitter coils are arranged concentrically on a common axis, the two transmitter coils being dimensioned with respect to their number of turns and / or their dimensions so that the magnetic "empty currents" excited by the two transmitter coils in the receiver coil compensate one another.
  • the invention has for its object, starting from the detectors of the prior art, to provide a detector of the type mentioned, which generates the lowest possible off-set signal.
  • the object underlying the invention is achieved by a sensor for locating metallic objects having the features of claim 1.
  • the sensor according to the invention for locating metallic objects has at least one transmitting coil and at least one receiving conductor loop system, which are inductively coupled together, wherein the at least one transmitting coil is connected in series with a compensation transformer.
  • the compensation transformer which is connected in series with its primary side to the transmitter coil of the sensor, generates a voltage which is ideally also 90 ° out of phase and proportional to the transmission current. If one selects a suitable transmission ratio for this compensation transformer, then, with suitable series connection of the secondary winding of the transformer and the receiving coil, the empty signal of the sensor can be extinguished to zero. Since the compensation transformer remains uninfluenced by an external metal object, the output voltage of the transformer (compensation voltage) remains constant and independent of interference from an external metal object.
  • the full influence of the metal object to be detected on the receiving coil of the sensor can be tapped reception voltage is maintained and is not at least partially compensated by a corresponding voltage of a second receiving coil, which serves the compensation, at least partially.
  • the sensor according to the invention thus makes it possible to compensate for the empty signal of such a sensor without the need for a second receiver coil or transmitter coil for compensation.
  • An advantageous embodiment of the sensor according to the invention results from the fact that the numbers of turns of the primary and secondary side of the compensation transformer are selected as the number of turns of the at least one transmitting coil and the at least one receiving conductor loop system.
  • This advantageous dimensioning of the number of turns of transmitter coil, receiving conductor loop system and compensation transformer causes the total voltage U G tapped on the system, which results from the addition of the voltage U E induced in the receiver coil and the compensation voltage U K applied to the secondary side of the compensation transformer, in FIG Ideally, and in the absence of a metal object in the vicinity of the receiving coil to zero.
  • the compensation transformer of the sensor according to the invention may consist of a small ferrite ring core and be provided with two correspondingly dimensioned windings.
  • the compensation transformer can be partially or completely realized as a "print transformer" by, for example, the primary and / or secondary coil of the transformer applied directly to a printed circuit board, for example, is printed.
  • the compensation of the empty signal of the inventive sensor ie U Eohne at the receiving coil, in the absence of an external metal object
  • U Eohne at the receiving coil in the absence of an external metal object
  • the compensation of the empty signal of the inventive sensor can be realized, for example, by a simple series connection, in which the secondary side of the compensation transformer is connected in series with the receiving conductor loop system of the sensor.
  • the winding sense of the turns of the secondary side of the compensation transformer is selected to be opposite to the winding sense of the receiving conductor loop system.
  • a subtraction circuit can be provided which subtracts the compensation voltage U K of the compensation transformer from the voltage U E which is induced in the receiving conductor loop system.
  • a subtractor for example, it is still possible to fine tune the phase and the magnitude of the compensation voltage U K.
  • the use of higher frequencies is advantageous, since in these the penetration depth of the magnetic field in the object to be located decreases and thus the eddy currents induced in the object become more significant. Since the penetration depth in copper at an operating frequency of 100 kHz is already on the order of about 0.2 mm, in practice an increase in the detection quality is an increase. However, the working frequency is well above 200 kHz, but generally not effective.
  • this length is already substantially smaller than the dimension of relevant objects, such as, for example, power lines, water pipes or steel reinforcements.
  • Sensors which are intended to respond to both conductive and ferromagnetic objects must therefore make a compromise with respect to the frequency selection of the system and work expediently in a frequency range between 1 kHz and 10 kHz.
  • Particularly suitable is a frequency in the range of 4 to 6 kHz, since in this frequency window iron-containing objects and conductive objects of comparable size, measuring signals generate approximately the same amplitude.
  • a measuring device in particular a hand-held locating device can be realized in an advantageous manner, which has a significantly improved measuring sensitivity by the substantial compensation of the empty signal.
  • 1 shows the basic structure of a sensor geometry of a sensor for locating metallic objects according to the prior art in a schematic representation
  • 2 shows an embodiment of a sensor according to the invention in a simplified, schematic representation.
  • Figure 3 shows an embodiment of a measuring device with a sensor according to the invention
  • FIG. 1 shows the basic structure of a sensor or detector for locating metallic objects according to the prior art in order to clarify the basic principle of a compensation sensor.
  • detector and sensor are used synonymously in the context of this text.
  • Such a detector has three coils in its sensor geometry 10.
  • a first transmitting coil 12 which is connected to a first transmitter Sl
  • a second coil 14 which is connected to a second transmitter S2
  • a receiving coil 16 which is connected to a receiver E.
  • Each coil is shown in the representation of Figure 1 as a circular line.
  • the peculiarity of the arrangement of these three coils 12, 14 and 16 is that they are all arranged concentrically to a common axis 18.
  • the individual coils 12, 14 and 16 have different outer dimensions, so that the coil 12 can be inserted into the coil 14.
  • the two transmitting coils 12 and 14 of the device according to Figure 1 are fed by their transmitters Sl and S2 with alternating currents of opposite phase.
  • the first transmitting coil 12 in the receiving coil 16 induces a flux which is opposite to the flux induced by the second transmitting coil 14 in the receiving coil 16.
  • Both induced in the receiving coil 16 rivers compensate each other, so that the receiver E detects no received signal in the receiving coil 16, if there is no external, metallic object in the vicinity of the coil assembly 10.
  • the flux IT excited by the individual transmitting coils 12 or 14 in the receiving coil 16 depends on various variables, such as, for example, the number of turns and the geometry of the coils 12 and 14 and, for example, on the amplitudes of the two transmitting coils 12 and 12.
  • the first transmitting coil 12 which is connected to the first transmitter S1 and a second transmitting coil 14, which is connected to a second transmitter S2, are arranged coaxially with one another in a common plane.
  • the receiving coil 16 is arranged in a plane offset from the two transmitting coils 12 and 14.
  • Figure 2 shows a schematic representation of an embodiment of the shading of the transmitting and receiving coils of a erf ⁇ ndungsdorfen sensor and the associated compensation circuit, which is realized by means of a compensation transformer.
  • the sensor 110 has a transmitting coil 20 with a plurality of turns, which are indicated only schematically in the illustration according to FIG.
  • the transmitting coil may be a classically wound coil or else a corresponding conductor track structure on a printed circuit board.
  • the transmitting coil 20 is charged with an alternating current I 8 and generates a variable magnetic field in the frequency range of less than 1 MHz. Magnetic fields in a frequency band of 100 Hz to 200 kHz are preferably used in the sensor according to the invention.
  • the point 22 of the illustration in FIG. 2 corresponds to the angle connections and thus indicates the sense of winding of the transmitting coil 20.
  • the magnetic field of the transmitting coil 20 is modified by an object located in the vicinity of the coil, in particular a metallic object 24, and generates a corresponding induction current in the reception conductor grinding system 26, which is also shown only schematically in FIG.
  • the change in the magnetic field of the transmitting coil 20 due to the metal object 24 can be detected via a corresponding evaluation circuit of the receiver coil 26, for example by measuring the induced voltage U E.
  • the coils 20 and 26 a relatively strong signal ( "empty signal"), which can be tapped or measurable on the receiving coil U E
  • the dummy signal U E without also results in no metal object 24 in the vicinity.
  • the received signal for example.. at the reception Fangsspule 26 is proportional to the current I 8 in the transmitting coil and to ideally 90 ° out of phase.
  • a special compensation transformer 28 is provided, which is connected with its primary side 30 in series with the transmitter coil 20.
  • Such a compensation transformer generates a voltage U K , which is ideally also 90 ° out of phase and proportional to the transmission current I 8 . If one selects a suitable transmission ratio between the number of turns on the primary side 30 and the secondary side 32 of the compensation transformer, then with appropriate series connection of the secondary windings of the transformer with the turns of the receiving coil 26, the resulting empty signal cancel.
  • the compensation voltage U ⁇ on the secondary side 32 of the compensation transformer remains unchanged, however, with appropriately shielded Kompensionkondensator. As a result, the voltage U G which can be tapped off on the sensor according to the invention points to a metal object 24 which has been found.
  • a suitable transmission ratio of the primary and / or secondary windings of the compensation transformer is, in a first approximation, identical to the transmission ratio of the turns from the transmitting coil to the receiving coil. Since the compensation transformer 28 is arranged in the sensor 110 or an associated measuring device in such a way that it is uninhibited. flows from metal objects remains, the output voltage U ⁇ of the transformer 28 is independent of the interference by the metal object 24 and thus constant. As a result, the full influence of a metal object 24 on the receiving voltage U E is maintained and is not, as usual in sensors according to the prior art, also wegkompensiert.
  • the compensation transformer can, for example, consist of a ferrite ring core 40 and be provided with two correspondingly dimensioned windings 32 and 42.
  • the compensation transformer it is also possible to realize the compensation transformer as a print transformer by the primary and secondary coils of such a transformer applied directly to a printed circuit board, for example. Are printed.
  • Sensor system comprises an inventive measuring device, among other things still an evaluation circuit and an evaluation and computing unit which, ⁇ U from the corresponding measuring signals, such as. U E or U G information on the presence of a metallic object 24 determined. Such information is then transmitted to an output unit, for example an acoustic or optical output unit of an associated measuring device, so that a user is informed by a corresponding signal that an object has been located.
  • an output unit for example an acoustic or optical output unit of an associated measuring device.
  • the exact identification of the position of such an object which may be included, for example, in one, in Fig. 2 only indicated wall 44 may, for example, done by the output of the signal strength of the magnetic field disturbance due to the enclosed object or by the signal strength of one through this Magnetic field induced current.
  • the sensor according to the invention is integrated together with the control and evaluation unit and a corresponding output unit in a housing of a measuring device, in particular a compact, hand-held measuring device.
  • a measuring device can be moved with its housing by hand or else via arranged on the housing rolling elements on the surface of a wall to be examined or a floor or a ceiling.
  • FIG. 3 shows a possible embodiment of such a measuring device.
  • FIG. 3 shows an exemplary embodiment of a measuring device according to the invention in a perspective overview.
  • the meter has a housing 50 formed of upper and lower half-shells 52 and 54, respectively. Inside the case is at least a sensor according to Figure 2 provided with a coil arrangement for metal detection.
  • the interior of the measuring device has a signal generation and evaluation, and a power supply, eg. About batteries or rechargeable batteries on.
  • the measuring device according to FIG. 3 also has a display 56 for outputting an output signal correlated with the measuring signal. Via the display 56, for example a segmented bar graph or even a graphic display using an LCD, it is possible to represent the strength of the detected measuring signal.
  • the measuring device has a control panel 58 with a number of operating elements 60, which make it possible, for example, to switch the device on or off, and optionally to start a measuring process or a calibration process.
  • the measuring device according to FIG. 3 has a region 62 which is designed in its shape and material design as a handle 64 for guiding the measuring device according to the invention.
  • a handle 64 for guiding the measuring device according to the invention.
  • this On the side opposite the handle 64 side 70 of the measuring device, this has a housing 72 penetrating through the opening.
  • the opening 72 is arranged concentrically at least to the receiving conductor loop system 34 of the sensor. In this way, the location of the opening 72 in the measuring device, the center of the detection sensor, so that the user of such a device so that at the same time the exact location of a possibly detected object is displayed.
  • the meter additionally on its upper side marking lines 74, over which the exact center of the opening 72 and thus the position of an enclosed object can be located by the user.
  • the senor according to the invention can also be used as an additional sensor in measuring devices that use other measuring methods.
  • the compensated, inductive sensor as additional diagnostics in a radar locating device or else in an infrared locating device.
  • the sensor according to the invention and the measuring device according to the invention with such a sensor are not limited to the exemplary embodiments illustrated in the figures.
  • the senor according to the invention is not limited to the use of only one transmitting coil or one receiving conductor loop system. Multiple systems, optionally using multiple compensation transformers are also possible.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Ortung metallischer Objekte, insbesondere ein induktiver Metallsensor (110) für Bauwerkstoffe, mit zumindest einer Sendespule (20) und mindestens einem Empfangsleiterschleifensystem (26), welche induktiv miteinander gekoppelt sind. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass die mindestens eine Sendespule (20) in Reihe zur Primärseite (30) eines Kompensationstransformators (28) geschaltet ist. Desweiteren betrifft die Erfindung ein Messgerät, insbesondere ein handgehaltenes Messgerät mit einem solchen Sensor.

Description

Sensor zur Ortung metallischer Objekte sowie Messgerät mit einem solchen Sensor
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor zur Ortung metallischer Objekte nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Messgerät mit einem solchen Sensor nach Anspruch 10.
Stand der Technik
Sensoren bzw. Detektoren zur Ortung von bspw. in Bauwerkstoffen verborgenen, metallischen Objekten arbeiten derzeit in der Regel mit induktiven Verfahren. Hierbei wird ausgenutzt, dass sowohl leitfähige als auch ferromagnetische Werkstoffe die Eigenschaften einer in der Umgebung angeordneten, elektromagnetischen Spule beeinflussen. Induktive Ortungsgeräte arbeiten üblicherweise nach dem Prinzip, dass eine Spule ein Magnetfeld generiert und eine zweite Spule das durch ein Metallobjekt modifizierte Magnetfeld wieder empfängt. Die von metallischen Gegenständen hervorgerufenen Veränderungen der induktiven Eigenschaften werden von einer Empfangsschaltung eines solchen Detektors registriert und ausgewertet. Auf diese Weise lassen sich bspw. in einer Wand eingeschlossene, metallische Gegenstände mittels einer oder mehrer über die Wand hinweggeführter Spulen prinzipiell orten.
Eine technische Schwierigkeit bei der Detektion metallischer Objekte besteht darin, dass die Rückwirkung der zu ortenden Gegenstände auf die Spule bzw. die Spulen der Sensoranordnung betraglich recht klein ist. Dies trifft vor allem für den Einfluss von nicht ferromagneti- schen Objekten, wie bspw. dem technisch überaus wichtigen Kupfer, zu.
Bereits ohne externe metallische Objekte in der Nähe der Spulenanordnung eines solchen Sensors ist ein starkes Signal an der Empfangsspule des Sensors, das so genannte Leersignal messbar, das auf die induktive Wirkung der Spulen des Sensors untereinander zurückzuführen ist. Insbesondere kann dies dazu führen, dass die induktive Wirkung der Spulen untereinander deutlich größer ist, als die durch einen eingeschlossenen Gegenstand erzeugte Induktion in der Empfangsspule. Ein solcher hoher Off-Set macht es schwierig, sehr kleine induktive Änderungen, welche durch einen in der Nähe des Detektors gebrachten metallischen Gegenstand verursacht werden, zu detektieren. Die Notwendigkeit, eine sehr kleine Änderung der Induktivität auf einem sehr großen Off-Set-Signal zu detektieren, setzt den Einsatz streng tolerierter und damit teuer Bauelemente voraus und erfordert zudem eine sehr rauscharme Analogelektronik, die die Kosten für ein solches Ortungsgerät deutlich erhöhen.
Um der Off-Set-Problematik derartiger Sensoren zu begegnen, sind aus dem Stand der Technik verschiedene Ansätze bekannt, welche alle gemeinsam zum Ziel haben, das Sensorsignal, welches bei Abwesenheit metallischer Objekte vorhanden ist (Leersignal) zu reduzieren und somit die relativen Signaländerungen aufgrund eines externen Gegenstandes zu vergrößern.
So sind bspw. Ortungsgeräte bekannt, die das Leersignal durch eine zweite Empfangsspule kompensieren, wobei die zweite Empfangsspule so zur ersten Empfangsspule geschaltet ist, dass sich die jeweiligen Leersignale der Empfangsspulen gegenseitig auslöschen. Der Nachteil einer solchen Beschaltung ist, dass eine Beeinflussung der Empfangsspulen durch ein externes Metallobjekt sich auf beide Empfangsspulen nahezu gleich auswirkt und dadurch die relativen Signale, absolut gesehen, noch kleiner werden. Des Weiteren entstehen durch eine zusätzliche, zweite Empfangsspule zusätzliche Kosten.
Aus der DE 101 22 741 Al ist ein Detektor zur Ortung metallischer Gegenstände bekannt, der eine Empfangsspule und eine erste Sendespule aufweist, die induktiv miteinander gekoppelt sind. Damit ein möglichst geringes Off-Set-Signal im Detektor entsteht, ist eine zweite Sendespule vorhanden, die ebenfalls mit der Empfangsspule induktiv gekoppelt ist. Die Empfangsspule und die beiden Sendespulen sind konzentrisch auf einer gemeinsamen Achse angeordnet, wobei die beiden Sendespulen bzgl. ihrer Windungszahlen und/oder ihrer Abmessungen so dimensioniert sind, dass sich die von den beiden Sendespulen in der Empfangsspule angeregten magnetischen „Leerflüsse" gegenseitig kompensieren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von den Detektoren des Standes der Technik, einen Detektor der eingangs genannten Art anzugeben, welcher ein möglichst geringes Off-Set-Signal erzeugt. Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird gelöst durch einen Sensor zur Ortung metallischer Objekte mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße Sensor zur Ortung metallischer Objekte weist zumindest eine Sendespule und mindestens ein Empfangsleiterschleifensystem auf, welche induktiv miteinander gekoppelt sind, wobei die mindestens eine Sendespule in Reihe zu einem Kompensationstransformator geschaltet ist. Der Kompensationstransformator, der mit seiner Primärseite in Reihe zur Sendespule des Sensors geschaltet ist, generiert eine Spannung, die idealerweise ebenfalls 90° phasenverschoben und proportional zum Sendestrom ist. Wählt man ein geeignetes Übersetzungsverhältnis für diesen Kompensationstransformator, so kann sich bei geeigneter Reihenschaltung der Sekundärwicklung des Transformators und der Empfangsspule das Leersignal des Sensors zu Null auslöschen. Da der Kompensationstransformator unbe- einflusst von einem externen Metallobjekt bleibt, bleibt auch die Ausgangsspannung des Transformators (Kompensationsspannung) konstant und unabhängig von Störungen durch einen externen Metallgegenstand. Dadurch bleibt der volle Einfluss des zu detektierenden Metallobjektes auf die an der Empfangsspule des Sensors abgreifbare Empfangsspannung erhalten und wird nicht durch eine entsprechende Spannung einer zweiten Empfangsspule, die der Kompensation dient, zumindest teilweise ebenfalls wegkompensiert. Der erfindungsgemäße Sensor ermöglicht es somit, das Leersignal eines solchen Sensors zu kompensieren, ohne dass eine zweite Empfangsspule bzw. Sendespule zur Kompensation benötigt wird.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Sensors ergeben sich mit den Merkmalen der abhängigen Ansprüche.
Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensor ergibt sich dadurch, dass die Windungszahlen von Primär- und Sekundärseite des Kompensationstransformators so gewählt werden, wie die Windungszahlen der mindestens einen Sendespule und des mindestens einen Empfangsleiterschleifensystems. Diese vorteilhafte Dimensionierung der Windungszahlen von Sendespule, Empfangsleiterschleifensystem und Kompensationstransformator führt dazu, dass die am System abgreifbare Gesamtspannung UG, die sich aus der Addition der in der Empfangsspule induzierten Spannung UE sowie der an der Sekundärseite des Kompensationstransformators anliegenden Kompensationsspannung Uκ ergibt, im Idealfall und bei Abwesenheit eines Metallobjektes in der Nähe der Empfangsspule zu Null wird. - A -
Da ein Metallobjekt in der Nähe der Empfangsspule das in dieser Spule induzierte Magnetfeld verändert, ändert sich durch ein solches Objekt auch die in der Empfangsspule induzierte Spannung UE. Die an der Sekundärseite des Kompensationstransformators abgreifbare Kompensationsspannung Uκ bleibt jedoch unverändert. Aus diesem Grunde weist eine Ausgangsspannung UG (UG = UE + Uκ) direkt hin auf ein aufgefundenes Metallobjekt in der Nähe der Empfangsspule.
Der Kompensationstransformator des erfϊndungsgemäßen Sensors kann aus einem kleinen Ferrit-Ringkern bestehen und mit zwei entsprechend dimensionierten Wicklungen versehen sein.
In alternativen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Sensors kann der Kompensationstransformator teilweise oder vollständig als „Print-Transformator" realisiert werden, indem bspw. die Primär- und/oder Sekundärspule des Transformators direkt auf eine Leiterplatte aufgebracht, bspw. aufgedruckt wird.
Die Kompensation des Leersignals des erfϊndungsgemäßen Sensors (d.h. UEohne an der Empfangsspule, bei Abwesenheit eines externen Metallobjektes) kann bspw. durch eine einfache Reihenschaltung realisiert werden, bei der die Sekundärseite des Kompensationstransformators in Reihe geschaltet ist zum Empfangsleiterschleifensystem des Sensors. Dabei wird der Windungssinn der Windungen der Sekundärseite des Kompensationstransformators entgegengesetzt zum Windungssinn des Empfangsleiterschleifensystems gewählt.
In einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors kann eine Subtraktionsschaltung vorgesehen sein, welche die Kompensationsspannung Uκ des Kompensationstransformator von der Spannung UE, welche im Empfangsleiterschleifensystem induziert wird, voneinander subtrahiert. In einem solchen Subtrahierer kann bspw. noch eine Feinabstimmung der Phase und des Betrages der Kompensationsspannung Uκ erfolgen.
Insbesondere für die Ortung nichtmagnetischer Materialien ist die Verwendung höherer Frequenzen vorteilhaft, da bei diesen die Eindringtiefe des magnetischen Feldes in das zu ortende Objekt sinkt und somit die im Objekt induzierten Wirbelströme bedeutsamer werden. Da die Eindringtiefe in Kupfer bei einer Arbeitsfrequenz von 100 kHz bereits in der Größenordnung von rund 0,2 mm liegt, ist in der Praxis zur Erhöhung der Detektionsgüte eine Erhö- hung der Arbeitsfrequenz weit über 200 kHz hinaus jedoch im Allgemeinen nicht zielfüh- rend.
Zumindest beim Einsatz eines induktiven Sensors zum Auffinden von Metall in Bauwerkstoffen ist diese Länge bereits wesentlich kleiner als die Abmessung relevanter Objekte, wie bspw. Stromleitungen, Wasserleitungen oder Stahlarmierungen. Sensoren, welche sowohl auf leitfähige als auch auf ferromagnetische Objekte ansprechen sollen, müssen daher bzgl. der Frequenzwahl des Systems einen Kompromiss eingehen und arbeiten zweckmäßig in einem Frequenzbereich zwischen 1 kHz und 10 kHz. Besonders geeignet ist eine Frequenz im Bereich von 4 bis 6 kHz, da in diesem Frequenzfenster eisenhaltige Objekte und leitfähige Gegenstände vergleichbarer Größe, Messsignale näherungsweise gleicher Amplitude generieren.
Mit dem erfindungsgemäßen Sensor lässt sich in vorteilhafter Weise ein Messgerät, insbesondere ein handgehaltenes Ortungsgerät realisieren, welches durch die weitgehende Kompensation des Leersignals eine deutlich verbesserte Messempfindlichkeit besitzt.
Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Sensors bzw. eines Messgerätes mit dem erfindungsgemäßen Sensor ergeben sich aus der Zeichnung sowie der zugehörigen Beschreibung.
Zeichnung
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors dargestellt, das in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert werden soll. Die Figuren der Zeichnung, deren Beschreibung sowie die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Ein Fachmann wird diese Merkmale auch einzeln betrachten und zu weiteren, sinnvollen Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen:
Figur 1 den prinzipiellen Aufbau einer Sensorgeometrie eines Sensors zur Ortung metallischer Objekte nach dem Stand der Technik in einer schematisierten Darstellung, Figur 2 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors in einer vereinfachten, schematischen Darstellung.
Figur 3 ein Ausführungsbeispiel eines Messgerätes mit einem erfindungsgemäßen Sensors
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Zur Einführung wird im Folgenden zunächst kurz auf das aus dem Stand der Technik bekannte Prinzip der Kompensation des Off-Sets bei induktiven Sensoren durch die Verwendung von drei konzentrischen Sensorspulen eingegangen.
Figur 1 zeigt zur Verdeutlichung des Basisprinzips eines Kompensationssensors den prinzipiellen Aufbau eines Sensors bzw. Detektors zur Ortung metallischer Gegenstände nach dem Stand der Technik. Die Begriffe Detektor und Sensor werden im Rahmen dieses Textes synonym verwendet. Ein solcher Detektor weist in seiner Sensorgeometrie 10 drei Spulen auf. Eine erste Sendespule 12, die an einem ersten Sender Sl angeschlossen ist, eine zweite Spule 14, die an einem zweiten Sender S2 angeschlossen ist und eine Empfangsspule 16, die an einem Empfänger E angeschlossen ist. Jede Spule ist im Rahmen der Darstellung der Figur 1 als kreisförmige Linie dargestellt. Die Besonderheit der Anordnung dieser drei Spulen 12, 14 und 16 besteht darin, dass sie alle konzentrisch zu einer gemeinsamen Achse 18 angeordnet sind. Dabei haben die einzelnen Spulen 12, 14 und 16 unterschiedliche Außenabmessungen, sodass die Spule 12 in die Spule 14 einsetzbar ist.
Die beiden Sendespulen 12 und 14 der Vorrichtung gemäß Figur 1 werden von ihren Sendern Sl und S2 mit Wechselströmen entgegengesetzter Phase gespeist. Dabei induziert die erste Sendespule 12 in der Empfangsspule 16 einen Fluss, der dem von der zweiten Sendespule 14 in der Empfangsspule 16 induzierten Fluss entgegengesetzt gerichtet ist. Beide in der Empfangsspule 16 induzierten Flüsse kompensieren sich gegenseitig, sodass der Empfänger E kein Empfangssignal in der Empfangsspule 16 detektiert, falls sich kein externer, metallischer Gegenstand in der Nähe der Spulenanordnung 10 befindet. Der von den einzelnen Sendespulen 12 bzw. 14 in der Empfangsspule 16 erregte Fluss IT hängt von verschiedenen Größen ab, wie bspw. der Windungszahl und der Geometrie der Spulen 12 bzw. 14 sowie bspw. von den Amplituden der in den beiden Sendespulen 12 bzw. 14 eingespeisten Ströme und deren gegenseitiger Phasenlage. Diese Größen sind bei den Detektoren des Standes der Technik letztendlich so zu optimieren, dass bei Abwesenheit eines metallischen Gegenstandes in der Empfangsspule 16, bei stromdurchflossenen Sendespulen 12 bzw. 14 kein Fluss bzw. ein möglichst geringer Fluss IT angeregt wird. Bei der Spulenanordnung 10 gemäß Figur 1 sind die erste Sendespule 12, die an den ersten Sender Sl angeschlossen ist und eine zweite Sendespule 14, die an einen zweiten Sender S2 angeschlossen ist, koaxial zueinander in einer gemeinsamen Ebene angeordnet. Die Empfangsspule 16 ist in einer gegenüber den beiden Sendespulen 12 und 14 versetzten Ebene angeordnet.
Figur 2 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel für die Verschattung der Sende- und Empfangsspulen eines erfϊndungsgemäßen Sensors sowie die zugehörige Kompensationsschaltung, die mit Hilfe eines Kompensationstransformators realisiert wird.
Der erfindungsgemäße Sensor 110 besitzt eine Sendespule 20 mit einer Mehrzahl von Windungen, die in der Darstellung gemäß Figur 2 lediglich schematisch angedeutet sind. Bei der Sendespule kann es sich um eine klassisch gewickelte Spule handeln oder aber auch um eine entsprechende Leiterbahnstruktur auf einer Leiterplatte. Die Sendespule 20 wird mit einem Wechselstrom I8 beschickt und erzeugt ein veränderliches Magnetfeld im Frequenzbereich von unter 1 MHz. Vorzugsweise finden Magnetfelder in einem Frequenzband von 100 Hz bis 200 kHz in dem erfindungsgemäßen Sensor Verwendung. Der Punkt 22 der Darstellung in Figur 2 entspricht den Winklungsanschlüssen und gibt somit den Windungssinn der Sendespule 20 an. Das Magnetfeld der Sendespule 20 wird durch einen in der Nähe der Spule befindlichen Gegenstand, insbesondere einen metallischen Gegenstand 24 modifiziert und erzeugt in dem als Empfängerspule dienenden Empfangsleiterdchleifesystem 26, die in Figur 2 ebenfalls nur schematisch dargestellt ist, einen entsprechenden Induktionsstrom. Die Änderung des Magnetfeldes der Sendespule 20 aufgrund des Metallobjektes 24 ist über eine entsprechende Auswerteschaltung der Empfängerspule 26, bspw. durch die Messung der induzierten Spannung UE nachweisbar.
Jedoch ergibt sich auch ohne Metallobjekt 24 in der Nähe der Spulen 20 bzw. 26 ein relativ starkes Signal („Leersignal"), welches an der Empfangsspule abgreifbar bzw. messbar ist. Metallobjekte ändern das Empfangssignal, bspw. UE. Das Leersignal UEohne an der Emp- fangsspule 26 ist proportional zum Strom I8 in der Sendespule und dazu idealerweise 90° phasenverschoben.
Erfindungsgemäß ist ein spezieller Kompensationstransformator 28 vorgesehen, der mit seiner Primärseite 30 in Reihe mit der Sendespule 20 geschaltet ist. Ein solcher Kompensationstransformator generiert eine Spannung UK, die idealerweise ebenfalls 90° phasenverschoben und proportional zum Sendestrom I8 ist. Wählt man ein geeignetes Übersetzungsverhältnis zwischen der Windungszahl auf der Primärseite 30 bzw. der Sekundärseite 32 des Kompensationstransformators, so kann sich bei geeigneter Reihenschaltung der sekundärseitigen Wicklungen des Transformators mit den Windungen der Empfangsspule 26 das resultierende Leersignal auslöschen.
Dazu ist im Ausführungsbeispiel der Figur 2 die Sekundärseite 32 des Kompensationstransformators 28 in Reihe geschaltet zu den Windungen 34 der Empfangsspule 26. Die Kompensation des Leersignals (UEohne ) wird somit durch eine Reihenschaltung realisiert, wobei der Windungssinn zwischen den Windungen 34 der Empfangsspule 26 und den Wicklungen 32 des Kompensationstransformators 28 umgedreht ist. Dies wird in der Darstellung der Figur 2 symbolisiert durch die Punkte der Wicklungsanschlüsse 36 für die Empfangsspule bzw. 38 für die sekundärseitigen Wicklungen des Kompensationstransformators 28.
Durch geeignete Dimensionierung der Windungszahlen von Sendespule 22, Empfangsspule 26 und Kompensationstransformator 28 wird die Spannung UG, die am erfindungsgemäßen Sensor abgreifbar ist (UG = UE + Uκ) im Idealfall und bei Abwesenheit eines Metallobjektes in der Nähe der Empfangsspule 26 zu Null. Da ein Metallobjekt das in der Empfangsspule 26 induzierte Feld verändert, ändert sich bei Anwesenheit eines solchen Metallobjektes 24 auch die in der Empfangsspule 26 induzierte Spannung UE. Die Kompensationsspannung Uκ auf der Sekundärseite 32 des Kompensationstransformators bleibt jedoch bei entsprechend abgeschirmtem Kompensionskondensator unverändert. Dadurch weist die am erfindungsgemäßen Sensor abgreifbare Spannung UG auf ein aufgefundenes Metallobjekt 24 hin.
Ein geeignetes Übersetzungsverhältnis der primär- bzw. sekundärseitigen Wicklungen des Kompensationstransformators ist in erster Näherung identisch zum Übersetzungsverhältnis der Windungen von Sendespule zu Empfangsspule. Da der Kompensationstransformator 28 derart im Sensor 110 bzw. einem zugeordneten Messgerät angeordnet ist, dass er unbeein- flusst von Metallobjekten bleibt, bleibt auch die Ausgangsspannung Uκ des Transformators 28 unabhängig von der Störung durch den Metallgegenstand 24 und somit konstant. Dadurch bleibt der volle Einfluss eines Metallobjektes 24 auf die Empfangspannung UE erhalten und wird nicht, wie bei Sensoren nach dem Stande der Technik üblich, auch wegkompensiert.
Der Kompensationstransformator kann bspw. aus einem Ferrit-Ringkern 40 bestehen und mit zwei entsprechend dimensionierten Wicklungen 32 und 42 versehen sein. Es ist jedoch auch möglich, den Kompensationstransformator als Print-Transformator zu realisieren, indem die Primär- und Sekundärspulen eines solchen Transformators direkt auf eine Leiterplatte aufgebracht, bspw. aufgedruckt werden.
Neben dem in Figur 2 schematisch dargestellten Sensorsystem weist ein erfindungsgemäßes Messgerät unter anderem noch eine Auswerteschaltung sowie eine Auswerte- und Recheneinheit auf, die aus den entsprechenden Messsignalen, wie bspw. UE, Uκ oder UG Informationen über das Vorhandensein eines metallischen Objektes 24 ermittelt. Derartige Informationen werden dann an eine Ausgabeeinheit, bspw. eine akustische oder optische Ausgabeeinheit eines zugeordneten Messgerätes übermittelt, sodass ein Anwender durch ein entsprechendes Signal darauf hingewiesen wird, dass ein Objekt lokalisiert worden ist. Die genaue Identifizierung der Lage eines solchen Objektes, welches bspw. in einer, in Fig. 2 nur angedeuteten Wand 44 eingeschlossen sein kann, kann bspw. erfolgen durch die Ausgabe der Signalstärke der Magnetfeldstörung aufgrund des eingeschlossenen Gegenstandes bzw. durch die Signalstärke eines durch diese Magnetfeld induzierten Stromes.
Der erfindungsgemäße Sensor ist zusammen mit der Steuer- und Auswerteeinheit sowie einer entsprechenden Ausgabeeinheit in einem Gehäuse eines Messgerätes, insbesondere eines kompakten, handgehaltenen Messgerätes integriert. Ein solches Messgerät kann mit seinem Gehäuse per Hand oder aber auch über am Gehäuse angeordnete Wälzkörper über die Oberfläche einer zu untersuchenden Wand bzw. eines Bodens oder einer Decke verfahren werden.
Figur 3 zeigt ein mögliches Ausführungsbeispiel eines derartigen Messgerätes.
Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfϊndungemäßen Messgerätes in einer perspektivischen Übersichtsdarstellung. Das Messgerät besitzt ein Gehäuse 50, das aus einer oberen und einer unteren Halbschale 52 bzw. 54 gebildet ist. Im Inneren des Gehäuses ist zumindest ein Sensor gemäß Figur 2 mit einer Spulenanordnung zur Metalldetektion vorgesehen. Darüber hinaus weist das Innere des Messgerätes eine Signalerzeugungs- und Auswerteelektronik, sowie eine Energieversorgung, bspw. über Batterien oder Akkus, auf. Das Messgerät gemäß Figur 3 besitzt darüber hinaus eine Anzeige 56 zur Ausgabe eines mit dem Messsignal korrelierten Ausgabesignals. Über die Anzeige 56, bspw. eine segmentierte Balkenanzeige oder aber auch eine graphische Anzeige unter Verwendung eines LCDs, ist es möglich, die Stärke des detektierten Messsignals darzustellen.
Des Weiteren besitzt das erfϊndungsgemäße Messgerät ein Bedienfeld 58 mit einer Reihe von Bedienelementen 60, die es ermöglichen, das Gerät bspw. ein- bzw. auszuschalten, sowie gegebenenfalls einen Messvorgang bzw. einen Kallibrierungsvorgang zu starten.
Im Bereich unterhalb des Bedienfeldes 58 weist das Messgerät gemäß Figur 3 einen Bereich 62 auf, der in seiner Form und Materialgestaltung als Handgriff 64 zur Führung des erfindungsgemäßen Messgerätes ausgestaltet ist. Mittels dieses Handgriffs 64 wird das Messgerät mit seiner, dem Betrachter der Figur 3 abgekehrten Unterseite über eine Oberfläche eines zu untersuchenden Gegenstandes bzw. eines Mediums, wie bspw. der Oberfläche 46 einer Wand 44 gemäß der schematischen Darstellung in Figur 2, geführt.
Auf der dem Handgriff 64 entgegensetzten Seite 70 des Messgerätes weist dieses eine das Gehäuse durchdringende Öffnung 72 auf. Die Öffnung 72 ist konzentrisch zumindest zu dem Empfangsleiterschleifensystem 34 des Sensors angeordnet. Auf diese Weise entspricht der Ort der Öffnung 72 im Messgerät, dem Zentrum des Ortungssensors, sodass dem Anwender eines derartigen Gerätes damit auch gleichzeitig die genaue Lage eine evtl. detektierten Gegenstandes angezeigt wird. Darüber hinaus weist das Messgerät zusätzlich auf seiner Oberseite Markierungslinien 74 auf, über die das genaue Zentrum der Öffnung 72 und somit die Lage eines eingeschlossenen Gegenstandes vom Anwender lokalisiert werden kann.
Neben einem rein induktiven Messgerät, kann der erfindungsgemäße Sensor auch als Zusatzsensor in Messgeräten verwendet werden, die andere Meßmethoden verwenden. So ist es möglich, den kompensierten, induktiven Sensor bspw. auch als Zusatzdiagnostik in einem Radarortungsgerät oder aber auch in einem Infrarotortungsgerät einzusetzen. Der erfindungsgemäße Sensor sowie das erfindungsgemäß Messgerät mit einem solchen Sensor sind nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt.
Insbesondere ist der erfindungsgemäße Sensor nicht beschränkt auf die Verwendung lediglich einer Sendespule bzw. eines Empfangsleiterschleifensystems. Mehrfachsysteme, gegebenenfalls unter Verwendung von mehreren Kompensationstransformatoren sind ebenso möglich.

Claims

Ansprüche
1. Sensor zur Ortung metallischer Objekte, insbesondere ein induktiver Metallsensor (110) für Bauwerkstoffe, mit zumindest einer Sendespule (20) und mindestens einem Emp- fangsleiterschleifensystem (26), welche induktiv miteinander gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Sendespule (20) in Reihe zur Primärseite (30) eines Kompensationstransformators (28) geschaltet ist.
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Windungszahlen von Primär- (30) und Sekundärseite (32) des Kompensationstransformators (28) sich verhalten, wie die Windungszahlen von Sendespule (20) und Empfangsleiterschleifensystem (26) .
3. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompensationstransformator (28) einen Ferrit-Ringkern (40) aufweist.
4. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Windungssystem der Windungen des Kompensationstransformators (28) als Printleiterbahnstruktur auf einer Leiterplatte ausgebildet ist.
5. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompensationstransformator (28) als Printtransformator auf einer Leiterplatte ausgebildet ist.
6. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärseite (32) des Kompensationstransformators (28) in Reihe zum Empfangsleiterschleifensystem (26) geschaltet ist.
7. Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Windungssinn der Sekundärseite (32) des Kompensationstransformators (28) entgegengesetzt ist zum Windungssinn des Empfangsleiterschleifensystems (26).
8. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Subtraktionsschaltung vorhanden ist, die die am Empfangsleiterschleifensystem (26) induzierte Spannung UE sowie die sekundärseitig am Kompensationstransformator (28) abgreifbare Spannung Uκ voneinander abzieht.
9. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Magnetfelder im Frequenzbereich von unter IMHz, vorzugsweise Magnetfelder im Frequenzband von 100Hz bis 200 kHz zum Einsatz kommen.
10. Messgerät, insbesondere ein handgehaltenes Ortungsgerät 210, mit zumindest einem Sensor nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 9.
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