DE1180550B

DE1180550B - Verfahren zum Untersuchen eines relativ homo-genen Mediums auf Bereiche unterschiedlicher elektrischer Leitfaehigkeit und Vorrichtung zum Durchfuehren des Verfahrens

Info

Publication number: DE1180550B
Application number: DEC25486A
Authority: DE
Inventors: Claus Colani
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1961-11-11
Filing date: 1961-11-11
Publication date: 1964-10-29

Description

Verfahren zum Untersuchen eines relativ homogenen Mediums auf Bereiche unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit und Vorrichtung zum Durchführen des Verfahreris Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Untersuchen eines relativ homogenen Mediums auf Bereiche unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit.
Weiterhin bezieht sich die Erfindung auch auf eine vorteilhafte Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Soll in einem räumlich umfangreichen Medium, das gegebenenfalls eine bestimmte elektrische Leitfähigkeit hat, eine Inhomogenität, beispielsweise in Form eines Einschlusses, festgestellt werden, so bestehen hierfür mehrere Möglichkeiten. Ist das Medium durchsichtig, so läßt sich die hinsichtlich der elektrischen Leitfähigkeit eventuell vorliegende Inhomogenität durch optische oder quasioptische Verfahren ermitteln. Bei für diese Methoden ungeeigneten Medien wäre in der Regel eine Untersuchung nur durch mechanisches Zerlegen oder Aufteilen des Gesamtmediums in relativ kleine Teilbereiche möglich. Diese relativ kleinen Teilbereiche können dann hinsichtlich der elektrischen Leitfähigkeit untersucht werden, wenn nicht schon auf Grund des rein optischen Eindrucks die gegenüber dem homogenen Medium unterschiedliche elektrische Leitfähigkeiten aufweisenden Inhomogenitäten ausgeschieden werden können. Häufig versagen diese Verfahren wegen der Größe des zu untersuchenden Mediums. Das ist beispielsweise dann der Fall, wenn für Zwecke der archäologischen Grabungstechnik im voraus eine Untersuchung zur Feststellung metallischer Objekte durchgeführt werden soll. Hierfür wendet man daher sogenannte Wirbelstromverfahren an, die für jegliche metallische Objekte anwendbar sind, sofern nur eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit vorliegt.
Wirbelstromverfahren arbeiten in der Weise, daß eine verhältnismäßig große Spule, die Such spule, von einem Wechselstrom durchflossen wird und somit ein magnetisches Wechselfeld erzeugt, das den zu untersuchenden Raum, Erdreich oder Wasser, durchdringt.
Befindet sich in diesem Raum ein metallisches Objekt, so werden in ihm Wirbelströme und entsprechend ein sekundäres magnetisches Wechselfeld induziert. Dieses sekundäre Feld ist die gesuchte Größe, das Kriterium für die Anwesenheit eines Objektes, und muß gemessen oder angezeigt werden. Dazu bieten sich verschiedene Möglichkeiten. Das sekundäre magnetische Wechselfeld wirkt auf die Suchspule zurück, es induziert in ihr eine Spannung und ändert damit ihre Impedanz. Also kann die Suchspule Meßglied einer abgestimmten Wechselstrombrücke sein. Das Objekt verstimmt die Brücke, die Spannung im Nullzweig der Brücke dient als Anzeige.
Ein weiteres Wirbelstromverfahren benutzt die Suchspule im frequenzbestimmenden Schwingungs- kreis eines frei schwingenden Oszillators. Die Impedanzänderung bewirkt eine Verstimmung, d. h. Änderung der Frequenz, die durch ein Zeigerinstrument oder durch Änderung der Höhe eins Kontrolltones oder dergleichen angezeigt wird. Es gibt noch weitere Wirbelstromverfahren, die aber letztlich alle die erwähnte Impedanzänderung einer oder mehrerer Suchspulen als Kriterium für ein Objekt benutzen.
Die Reichweite von Suchgeräten nach dem Wirbelstromverfahren ist durch die kleinste nachweisbare Impedanzänderung gegeben. Diese hängt nicht nur von der Empfindlichkeit des Gerätes ab, sondern auch von störenden Einflüssen der Umgebung. Die Begrenzung wird grundsätzlich von diesen äußeren Effekten bewirkt und hat zur Folge, daß in der Praxis nur relativ geringe Reichweiten erzielt werden können.
Beispielsweise läßt sich eine Platte aus Bronze mit den Abmessungen 10 10 cm 1 inm in feuchtem Erdreich nur bis zu einer Tiefe von etwa 80 cm noch feststellen, weil die natürlichen Inhomogenitäten für größere Tiefen bereits zu sehr in das Meßergebnis eingehen.
Diese Schwierigkeiten werden wesentlich vermindert? wenn bei einem Verfahren zum Untersuchen eines relativ homogenen Mediums auf Bereiche unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit, bei dem in einem räumlich begrenzten Bereich des Mediums ein primäres Magnetfeld erzeugt wird, welches über die hierdurch im Medium verursachten Wirbelströme ein sekundäres, die Anzeigemittel beeinflussendes Magnetfeld hervorruft, erfindungsgemäß das primäre Magnetfeld nur während einer vorbestimmten Zeitspanne wirksam ist und die Anstiegs- und/oder Abklingzeit des'resultierenden Magnetfeldes gemessen wird, das sich aus dem primären und sekundären Magnetfeld zusammensetzt, und wenn die so bestimmte Anstiegs- und/oder Abklingzeit zu den entsprechenden Zeiten eines absolut homogenen Mediums in Relation gesetzt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht vor allem auch in einem gegebenenfalls räumlich sehr großen Medium eine Groborientierung über das Vorhandensein von Inhomogenitäten, die eine gegenüber dem Medium unterschiedliche elektrische Leitfähigkeit haben.
Eine vorteilhafte Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer von einem Stromgenerator gespeisten Leiterschleife zum Erzeugen des Magnetfeldes und mit einem an diese oder an eine weitere Leiterschleife angeschlossenen Anzeigemittel für das durch das zu untersuchende Medium modifizierte Magnetfeld ist gekennzeichnet durch einen Generator, der einen Strom mit vorbekanntem zeitlichem Amplituden- und Flankenverlauf erzeugt, und durch eine solche Ausbildung des Anzeigemittels, daß die Anstiegs- und/oder Abklingzeit des resultierenden Magnetfeldes bestimmbar ist. Hierbei empfiehlt es sich vorzugsweise am Empfängereingang Mittel zum Sperren der Anzeige zumindest während eines Abschnittes der Aufbau- und/oder Abklingzeit des primären Magnetfeldes vorzusehen. Außerdem ist es vorteilhaft, wenn der Generator einen Strom nach Art einer Sprungfunktion abgibt, die sich periodisch in größeren Zeitabständen als die Anstiegs- und Abklingzeiten wiederholt. Zweckmäßig ist es außerdem, wenn zur Anzeige des vom Empfänger gelieferten Meßergebnisses ein Oszillograph vorgesehen ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist, wie Untersuchungen zeigten, außer zur Grobuntersuchung eines räumlich sehr ausgedehnten Mediums mittels einer relativ großen Leiterschleife, auch zu einer gewissen Feinstrukturuntersuchung geeignet, wenn nur die Leiterschleifen im Flächeninhalt kleiner gewählt werden. Die Leiterschleife kann das Medium richtiggehend umfassen. Für viele Fälle ist es aber auch ausreichend, wenn die Leiterschleife auf die Außenfläche des Mediums nur aufgelegt wird.
Nachstehend wird die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels erläutert.
In der F i g. 1 ist ein Schema gezeigt, an Hand dessen das Funktionsprinzip erklärt werden soll. Der Primärkreis besteht aus einer Gleichstromquelle 1, einem Schalter 2, einer Spule 3 und einem Dämpfungswiderstand 4. Wird der Schalter 2 geschlossen, so fließt ein Strom durch die Spule 3, und ein magnetisches Feld H1 baut sich auf, welches auch in das unter Umständen eine gewisse elektrische Leitfähigkeit aufweisende Medium 5 eindringt. Wird der Schalter 2 geöffnet, so bricht das Feld H1 zusammen, und zwar mit einer Zeitkonstante T1 entsprechend der Größe R des Widerstandes 4 und der Induktivität L der Spule 3. Es gilt T1 = L/R. Das zusammenbrechende Feld induziert im Medium 5 einen Strom 12, der entsprechend der Leitfähigkeit und der Geometrie der Strombahnen, d. h. der Induktivität des Mediums abklingt. Die Zeitkonstante T2 dieses Vorganges stellt beim Ausführungsbeispiel die gesuchte Meßgröße dar.
Sie ist allein abhängig von den Eigenschaften des Mediums und seinen eventuellen Inhomogenitäten.
Zur Messung dient eine Spule 6 des Sekundärkreises.
Sie wird sowohl vom Feld H1 der Spule 3 als auch vom magnetischen Feld H2 des Stromes 12 im Medium 5 durchsetzt. An ihren Klemmen entsteht eine Spannung proportional den Änderungen beider Felder.
Man nennt die zugehörigen Spannungen an den Klemmen der Spule 6 jeweils U, und U2, so daß die Gesamtspannung U = ul e f T1 ' U2e-t T, wird.
Ul ist naturgemäß viel größer als U2. Der Primäre kreis soll so dimensioniert sein, daß T1 viel kleiner als Ts wird. Damit klingt Ul e-t T wesentlich schneller ab als U2e-t'T. und wird nach kurzer Zeit, die die Übergangszeit genannt werden soll, vernachlässigbar klein. Nach dieser Zeit kann an den Klemmen der Spule 6 in an sich bekannter Weise, z. B. mittels eines Oszillographen, die Spannung U2 e-t T, gemessen werden, woraus T2 ermittelt werden kann (vgl.
Fig. 2).
Im Schema der F i g. I folgt auf die Spule 6 ein Schalter 7, der den Verstärker 8 während der Ubergangszeit von der Spule 6 trennt. Damit wird eine Überlastung des Verstärkereinganges durch die unter Umständen sehr große Spannung U1 vermieden.
Außerdem wird gewährleistet, daß dem Verstärker 8 praktisch nur die gewünschte Funktion U2 e-t'T2 zugeführt wird. Der Schalter 7 wird im allgemeinen ein elektronisches Gerat, z. B. eine Röhrenschaitung, sein, da sehr kurze Schaltzeiten, z. B. 10- . . . 10-8 Sekunden, zur Bestimmung von Inhomogenitäten nötig sein können. Auf den Verstärker 8 folgt ein Anzeigegerät 9, zweckmäßigerweise ein Elektronenstrahloszillograph.
Die wesentlichen Merkmale des Ausführungsbeispiels bestehen in der Verwendung eines primären Magnetfeldes, das schnell zum Abklingen gebracht wird und dabei ein sekundäres Magnetfeld im zu untersuchenden Medium hervorruft, welches wesentlich langsamer abklingt. Der große Unterschied der Abklingzeitkonstanten ermöglicht einem Empfänger die zeitliche Trennung der Signale.
Analog ist das erfindungsgemäße Verfahren auch in der Weise durchführbar, daß der Aufbau des Magnetfeldes untersucht wird, da auch hierbei ein Primärfeld und ein Sekundärfeld gegeben sind.

Claims

Patentansprüche: 1. Verfahren zum Untersuchen eines relativ homogenen Mediums auf Bereiche unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit, bei dem in einem räumlich begrenzten Bereich des Mediums ein primäres Magnetfeld erzeugt wird, welches über die hierdurch im Medium verursachten Wirbelströme ein sekundäres, die Anzeigemittel beeinflussendes Magnetfeld hervorruft, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß das primäre Magnetfeld während einer vorbestimmten Zeitspanne wirksam ist und die Anstiegs- und/oder Abklingzeit des resultierenden Magnetfeldes gemessen wird, das sich aus dem primären und sekundären Magnetfeld zusammensetzt, und daß die so bestimmte Anstiegs-und/oder Abklingzeit zu den entsprechenden Zeiten eines absolut homogenen Mediums in Relation gesetzt wird.
2. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einer von einem Stromgenerator gespeisten Leiterschleife zum Erzeugen des Magnetfeldes und mit einem an diese oder an eine weitere Leiterschleife angeschlossenen Anzeigemittel für das durch das zu untersuchende Medium modifizierte Magnetfeld, gekennzeichnet durch einen Generator, der einen Strom mit vorbekanntem zeitlichem Amplituden- und Flankenverlauf erzeugt, und durch eine solche Ausbildung des Anzeigemittels, daß die Anstiegs- und/oder Abklingzeit des resultierenden Magnetfeldes bestimmbar ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch vorzugsweise am Empfängereingang vorgesehene Mittel zum Sperren der Anzeige zumindest während eines Abschnittes der Aufbau-und/oder Abklingzeit des primären Magnetfeldes.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator einen Strom nach Art einer Sprungfunktion abgibt, die sich periodisch in größeren Zeitabständen als die Anstiegs- und Abklingzeiten wiederholt.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Oszillographen als Anzeigemittel.

In Betracht gezogene Druckschriften: Britische Patentschriften Nr. 599 912, 825 955.