DE19725545C1 - Verfahren zum Detektieren von ferromagnetischen und elektrisch leitfähigen nicht-ferromagnetischen Gegenständen im Erdreich - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Detektieren von ferromagnetischen und elektrisch leitfähigen nicht-ferromagnetischen Gegenständen im Erdreich unter Verwendung mindestens einer Magnetometersonde und einem Sender für magnetische Wechselfelder.

Zum Aufspüren von Eisenteilen werden Magnetometersonden verwendet, die, in Differenz geschaltet, als Gradiometer bezeichnet werden. Diese Magnetometersonden (Fluxgates) weisen in einem Keramikrohr, das mit einer Vielzahl von Windungen umgeben ist, einen ca. 5 cm langen Streifen aus hochpermeablen Material auf. Die Größe des Magnetfelds wird mittels dieser Magnetometersonden dadurch ermittelt, daß die Magnetisierungsschleife des magnetisierbaren Kerns durch ein zusätzliches Hilfswechselfeld, das durch ein Hilfswechselstrom erzeugt wird, bis über die Sättigung hinaus ausgesteuert und die durch das zu messende Feld im Kern bewirkte Änderung in der Induktion ausgewertet wird. Diese Sonden werden üblicherweise bei der Detektion von Eisenteilen eingesetzt, die sich im im wesentlichen konstanten Erdfeld (Gleichfeld) befinden. Derartige Sonden sind grundsätzlich geeignet, Magnetfelder zu empfangen. Ob diese konstant oder zeitlich veränderlich sind, muß lediglich bei der Auswertung der von der Sonde gelieferten Signale berücksichtigt werden.

Zur Messung von ferromagnetischen und elektrisch leitfähigen Gegenständen im Erdreich werden Pulssonden verwendet, die nach dem in der DE 11 80 550 B1 offenbarten Verfahren arbeiten. Hierzu weisen die Ortungsgeräte üblicherweise Sende- und Empfangsspulen auf, die Pulse aussenden bzw. die Wirbelstromantwort empfangen.

Aus der DE 34 02 562 A1 ist ein Magnetometer zur Messung schwacher Erdmagnetfelder und zur meßtechnischen Unterscheidung zwischen biologisch bedingten und technisch bedingten erdmagnetischen Anomalien bekannt, bei dem zu dem Magnetometer ein Metalldetektor elektronisch zugeschaltet wird, der die Meßwertanzeige des Magnetfeldmeßgerätes in Abhängigkeit von dem Vorhandensein eines erdmagnetisch sich auswirkenden Metalls oder dem Nichtvorhandensein eines Metalls gesteuert wird.

Trotzdem ist es in der Praxis üblich, insbesondere bei der Ortung von unterirdischem Kriegsgerät, zur Detektion von Eisenteilen Gradiometer einzusetzen und bei der Suche nach Nicht-Eisenteilen nach dem Pulsverfahren arbeitende Sonden zu verwenden. Dies liegt daran, daß Gradiometer eine höhere Empfindlichkeit und insbesondere eine höhere Suchtiefe aufweisen. Deshalb werden hier Magnetometer bevorzugt.

In der US 5 576 624 A ist ein Pulsinduktionsmetalldetektor beschrieben, bei dem eine Linearkombination von wenigstens zwei Messungen durchgeführt wird. Dabei wird das ermittelte Signal wenigstens einer ersten und einer zweiten vorbestimmten Periode gemessen, wobei die letztere von der Periode, die signifikante Signale aufgrund der erzeugten Wirbelströme ergibt, getrennt ist. Das Messen erfolgt während der Perioden, in denen das Magnetfeld nicht überträgt. Die Kombination der Signale ist eine Linearkombination, bei der außerdem jede Messung mit jeweils einer Konstanten multipliziert wird und die multiplizierten Werte voneinander subtrahiert werden. Die Konstanten werden dabei so ausgewählt, daß die Addition der derart verarbeiteten Messungen null ergibt, während die Signale vor der Behandlung einem erkannten Signal entsprechen, das durch Veränderung des magnetischen Feldes, im wesentlichen verursacht durch elektrisch nicht leitende Ferritte, induziert wird.

US 4 300 097 beschreibt einen Induktionsausgleich-Metalldetektor zur Identifikation von Eisen und nicht-eisenhaltigem Metall. Hierzu wird ein entsprechender Schaltkreis verwendet, der einen phasen- und amplitudenempfindlichen Detektorschaltkreis umfaßt. Sowohl bei dieser Schrift als auch der vorhergehenden erfolgt die Erkennung von ferromagnetischen und nicht- ferromagnetischen elektrisch leitfähigen Gegenständen durch entsprechende schaltungstechnische Maßnahmen.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit anzugeben, mittels der Magnetometersonden sowohl für die Detektion von ferromagnetischen als auch nicht-ferromagnetischen elektrisch leitfähigen Teilen verwendet werden können.

Diese Rufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Hierzu wird unter Verwendung mindestens einer Magnetometersonde und einem Sender für magnetische Wechselfelder von dem Sender ein codiertes magnetisches Wechselfeld synchron zu dem Ummagnetisierungsstrom der Magnetometersonde ausgesendet und die erfaßten Empfangswerte rechnerisch decodiert und entsprechend dem Empfangswert für einen ferromagnetischen oder elektrisch leitfähigen Gegenstand ausgewertet. Das Wechselfeld des Senders kann beispielsweise in der Form von Pulsen oder eines Sinus abgegeben werden, so daß die Sendepulse immer abwechselnd positiv und negativ sind. Im Falle eines sinusförmigen Wechselfeldes läuft das Signal aufgrund der abwechselden positiven und negativen Amplituden durch, wobei die Frequenz entsprechend dem Wechsel des Ummagnetisierungsstromes gewählt und damit auf diesen synchronisiert werden muß. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird immer dann mindestens ein Puls ausgesendet, wenn die Magnetometersonde sich gerade im inaktiven Meßzustand befindet. Damit der von dem Sender ausgesendete Puls, der nach dem Pulsortungsverfahren in dem metallischen Gegenstand einen Wirbelstrom erzeugt, die Magnetometersonde nicht beeinträchtigt, wird dieser Puls dann ausgesandt, wenn sich diese in der Sättigung befindet und keine Information über das von der Magnetometersonde detektierte Magnetfeld abgibt. Der von dem Sender abgegebene Puls wird abgeschaltet, bevor der Meßstreifen der Magnetometersonde wieder aus der Sättigung heraus in den empfindlichen Meßbereich gelangt. Der durch den von dem Sender abgegebenen Puls ausgelöste Wirbelstrom im Objekt liefert bekanntlich bei seinem Abklingen das von den Empfangssonden zu verwertende Signal. Dies wird beim nächsten Durchgang durch den aktiven Meßzustand von der Magnetometersonde erfaßt und mittels einer Auswerteeinheit rechnerisch decodiert und entsprechend 1 dem Empfangswert aus einem ferromagnetischen oder elektrisch leitfähigen Gegenstand ausgewertet. Die Empfangswerte bestehen einerseits aus den Empfangswerten von ferromagnetischen Objekten, wie sie vom Fluxgate herrühren, und andererseits aus Empfangswerten, wie sie von Wirbelströmen in elektrisch leitfähigen Objekten erzeugt werden. Dadurch ist es möglich, mittels einer nach diesem Verfahren arbeitenden Sondenvorrichtung sowohl ferromagnetische als auch elektrisch leitfähige Objekte aufzuspüren, wo sonst zwei verschiedene Sonden erforderlich sind und zeitlich versetzt arbeiten müssen.

Zusätzlich zu den Empfangswerten der Fluxgates können auch beispielsweise in den Sendespulen des Senders meßbare Empfangswerte wie bei einem gewöhnlichen Puls- oder Wirbelstromgerät ausgewertet werden. Eine andere Möglichkeit der Anwendung des Verfahrens besteht darin, gesonderte Wirbelstromgeräte und Fluxgates zusammenzuschalten und zu synchronisieren und nach dem oben beschriebenen Verfahren nebeneinander zu betreiben.

Für das erfindungsgemäße Verfahren ist, wie vorstehend erwähnt, wichtig, daß das Aussenden der Pulse bzw. Sinussignale entsprechend dem Takt der Ummagnetisierung bei der Magnetometersonde erfolgt. Nach jedem von dem Sender abgegebenen Puls Pi wird in dem darauffolgenden aktiven Bereich der Magnetometersonde von dieser der Empfangswert Mi erfaßt und ausgewertet. Dabei ist Mi der Empfangswert nach dem Sendepuls Pi mit i = 1, 2, 3,... . Die Sendepulse sind positiv und negativ ausgeführt, beispielsweise alle ungeradezahligen P1, P3, P5,... sind positive Pulse und alle geradzahligen Pulse P2, P4, P6,... sind negative Pulse. Nach jeweils zwei aufeinanderfolgenden oder Vielfachen von zwei aufeinanderfolgenden Empfangswerten werden gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform die Empfangswerte einerseits addiert und andererseits ein Empfangswert von zwei aufeinanderfolgenden Empfangswerten mit negativen Vorzeichen gewichtet und die Summe aus diesen beiden Werten gebildet und anschließend die dadurch erhaltenen Informationen ausgewertet. Betrachtet man beispielsweise die Empfangswerte M1 und M2 nach den Pulsen P1 und P2, so ist der Beitrag zu den Empfangswerten, der von dem konstanten ferromagnetischen Anteil eines Objekts herrührt, für beide Empfangswerte M1 und M2 gleich. Die Summe Spp(1, 2) aus den Empfangswerten M1 und M2 (Spp (1, 2) = M1 + M2) wird daher beeinflußt, während die Summe Spn(1, 2) = M1 + (-1 × M2) unverändert bleibt. Da der Pulssender mit jedem Puls sein Vorzeichen ändert, beeinflussen die durch den Wirbelstrom im elektrisch leitfähigen Objekt erzeugten Wirbelstromfelder die Empfangswerte genau entgegengesetzt zueinander, so daß in diesem Fall die Summe Spp(1, 2) aus den Empfangswerten M1 und M2 unverändert bleibt und sich die Summe Spn(1, 2) aus M1 und (-1 × M2) verändert. Gleiches gilt für die nachfolgenden Empfangswerte M3, M4 usw. und deren Summen Spp(3, 4) bzw. Spn(3, 4). Durch die gleichzeitige Auswertung dieser beiden verschiedenen Additionen liegen wesentlich mehr Informationen über das Objekt vor, und es kann festgestellt werden, ob es sich um ein rein ferromagnetisches oder elektrisch leitfähiges Objekt handelt. Nach je zwei Pulsen können die Summen Spp und Spn berechnet werden, wobei die Werte Spp nur Signale enthalten, die von dem konstanten magnetischen Anteil eines Objektes und die Werte Spn nur Signale enthalten, die von dem durch Wirbelströme im Objekt verursachten Magnetfeld herrühren. Mit Spp erhält man somit Meßergebnisse wie bei einem gewöhnlichen Magnetometer für ferromagnetische Stoffe und mit Spn wie bei einem gewöhnlichen Wirbelstrom-Metallsuchgerät. Außerdem können Rückschlüsse auf die Tiefe des detektierten Gegenstandes gemacht werden.

Entsprechend der DE 195 10 506 A1 können sogar die Signale mehrerer verschiedener codierter Sendefelder wieder den entsprechenden Sendern zugeordnet werden. Dies liefert eine Vielzahl von zusätzlichen Informationen aus den ohnehin schon verwendeten Sondenarrays. Bei mehreren Sendern (Spulen) werden längere Summen nötig. So liefern beispielsweise zwei Sender die Sendefolgen bei Sender 1 P N P N.... und bei Sender 2 P N N P...., was sich in einer Vorzeichenmatrix als
+ - + -
+ - - +
darstellt. Die dazugehörenden Summen lauten dann:
Spppp(1, 2, 3, 4) +M1 +M2 +M3 +M4
Spnpn(1, 2, 3, 4) +M1 -M2 +M3 -M4
Spnnp(1, 2, 3, 4) +M1 -M2 -M3 +M4.

Nach je vier Pulsen können die Summen Spppp, Spnpn und Spnnp berechnet werden. Dabei enthält

• - Spppp nur Signale, die von einem konstanten magnetischen Anteil eines Objektes,
• - Spnpn nur Signale, die von dem durch Wirbelströme (angeregt durch Sender 1) im Objekt verursachten Wirbelströme und
• - Spnnp nur Signale, die von dem durch Wirbelströme (angeregt durch Sender 2) im Objekt verursachten Wirbelströme
  herrühren. Die Pulsfolgen sind, wie in der oben erwähnten Schrift beschrieben, dabei linear unabhängig. In diesem Beispiel senden die Sendespulen Folgen von positiven und negativen Pulsen aus, und bei der Auswertung werden die Meßwerte mit derselben Vorzeichenfolge der dazugehörigen Sendespulen gewichtet addiert und die dadurch erhaltenen Informationen ausgewertet.

Bei noch mehr Sender (Spulen), beispielsweise 16, erfolgt die Berechnung nach noch mehr Empfangswerten (hier 16). Hierbei ist es, um eine Beeinflussung zu vermeiden, vorteilhaft, wenn die Vorzeichenfolgen, wie in der erwähnten Schrift angegeben, paarweise orthogonal sind, d. h. hier, genau die Hälfte der Vorzeicheneinträge zweier Pulsfolgen stimmen hinsichtlich des Vorzeichens überein.

Des weiteren können die codierten Sendersignale selbst in dem Magnetometer ausgewertet werden. Dadurch kann, wie in DE 196 11 757 C1 angegeben, die Position der Sensoren relativ zu einem Ortungsgerät, das Pulsspulen enthält, ermittelt werden.

An Stelle gepulster Sender können auch sinusförmige Senderströme verwendet werden. Durch die Verwendung von Schwingkreisen können dabei mit relativ wenig Batteriestrom hohe Feldstärken erzeugt werden. Die Frequenz f des Sendestromes wird vorzugsweise so gewählt, daß die Frequenz des Sondenummagnetisierungstroms F ein ganzzahliges Vielfaches der Senderfrequenz f ist, d. h., daß n × f = F mit n = 1, 2, 3.... gilt. Sende- und Ummagnetisierungstrom müssen synchronisiert sein. Durch synchrone Demodufation kann dann der zum Sendestrom gehörende Anteil des Empfangssignals bestimmt werden. Der Sendestrom kann auch die Summe mehrerer sinusförmiger Wechselströme sein.

Der mechanische Aufbau einer Sondenvorrichtung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann beispielsweise derart sein, daß als Sender eine Sendespule verwendet wird, die axial am Rohr des Magnetometers angeordnet ist und weit außen herum eine Schleife bildet. Bei einem Gradiometer könnte die Sendespule genau zwischen den Gradiometerspulen sein, damit das Feld der Senderspule möglichst eliminiert wird, weil sie auf beide Empfänger gleich wirkt. Auch kann jede andere frei wählbare Anordnung, die für den jeweiligen Anwendungsfall zweckmäßig ist, verwendet werden.

Claims (6)

1. Verfahren zum Detektieren von ferromagnetischen und elektrisch leitfähigen nicht-ferromagnetischen Gegenständen im Erdreich und Verwendung mindestens einer Magnetometersonde und einem Sender magnetischer Wechselfelder, in dem der Sender ein codiertes magnetisches Wechselfeld synchron zu dem Ummagnetisierungsstrom in der Magnetometersonde aussendet und die erfaßten Empfangswerte rechnerisch decodiert und entsprechend dem Empfangswert für einen einem rein ferromagnetischen Gegenstand zugehörenden Anteil und einen einem elektrisch leitfähigen nicht-ferromagnetischen Gegenstand zugehörenden Anteil ausgewertet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender immer dann mindestens einen Puls aussendet, wenn die Magnetometersonde sich gerade im inaktiven Meßzustand befindet, und die von der Magnetometersonde beim nächsten Durchgang durch den aktiven Meßzustand erfaßten Empfangswerte ausgewertet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender mehr als eine Sendespule aufweist und die Sendespulen Folgen von positiven und negativen Pulsen aussenden und bei der Auswertung die Meßwerte mit der­ selben Vorzeichenfolge der dazugehörigen Sendespulen gewichtet addiert und die dadurch erhaltenen Informationen ausgewertet werden.

4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei jedem Durchgang der Magnetometersonde durch den aktiven Meßzustand ein Empfangswert erfaßt und nach jeweils zwei oder Vielfachen von zwei aufeinanderfolgenden Empfangswerten die Empfangswerte einerseits addiert und andererseits ein Empfangswert von zwei aufeinanderfolgenden Empfangswerten mit negativen Vorzeichen gewichtet und die Summe aus diesen beiden Werten gebildet und anschließend die dadurch erhaltenen Informationen ausgewertet werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorzeichenfolgen der Sendespulen paarweise orthogonal sind.

6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertesignale zur Bestimmung der Position der Magnetometersonde verwendet werden.