DE19803957C1 - Metallsuchgerät und Verfahren zur Detektion eines metallischen Gegenstandes - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Metallsuchgerät zum Suchen von verborgenen metallischen Gegenständen in einer nicht-metallischen Umgebung mit: einer Suchspule in einem Schwingkreis, einer elektrischen Schaltung zur Detektion von Induktivitätsänderungen und einer Anzeigevorrichtung. DOLLAR A Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingkreis (L01, 1) über einen regelbaren Widerstand (R02) verfügt, wodurch die Rückkopplung des Schwingkreises mit der Suchspule (L01) so variiert werden kann, daß der Schwingkreis sich in einem Zustand gerade kurz nach dem Schwingungseinsatz befindet. DOLLAR A Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Detektion eines metallischen Gegenstandes in einer nicht-metallischen Umgebung mit den folgenden Verfahrensschritten: DOLLAR A - Abstimmung eines Schwingkreises mit einer Suchspule auf eine Rückkopplung, bei der der Schwingkreis kurz nach dem Schwingungseinsatz eingestellt wird, DOLLAR A - Bestimmung des Referenzwertes der Schwingungsamplitude, DOLLAR A - Bestimmung der Amplitudendifferenz zwischen Referenzamplitude und aktueller Amplitude und DOLLAR A - Anzeige der Amplitudendifferenz.

Description

Die Erfindung betrifft ein Metallsuchgerät zum Suchen von verborgenen metallischen Gegenständen in einer nichtmetallischen Umgebung und weiterhin ein Meßverfahren zur Detektion metallischer Gegenstände.

Zum Aufspüren von verborgenen Metallgegenständen im Erdreich, in Wänden oder ähnlichen Umgebungen kennt man Geräte, welche die physikalische Tatsache nutzen, daß ein metallisches Teil in der Nähe einer Spule deren Induktivität beeinflußt beziehungsweise ändert. Um kleinere metallische Gegenstände aufzuspüren ist es notwendig, auch sehr geringe Änderungen in der Induktivität auswerten zu können. Hier werden zwei unterschiedliche Verfahren genutzt, nämlich das Interferenzverfahren mit zwei Oszillatoren und das Kompensationsverfahren mit zwei identischen Suchspulen.

Beim Differenzverfahren arbeiten im Gerät zwei Oszillatoren, deren Frequenzen sehr dicht beieinander liegen, so daß sich bei der Überlagerung der beiden Frequenzen ein Überlagerungston einer bestimmten hörbaren Frequenz, zum Beispiel 1000 Hz ergibt. Hierbei arbeitet der eine Oszillator, zum Beispiel ein Quarzoszillator, auf einer festen Frequenz. Der zweite Oszillator arbeitet mit der Suchspule, so daß bei einer Änderung der Induktivität der Suchspule eine Verstimmung des Oszillators entsteht. Die Änderung der Schwingungsfrequenz des zweiten Oszillators ergibt im Zusammenwirken mit der festen Frequenz des ersten Oszillators eine Änderung des Überlagerungstones. Bei einer Suche nach Metallteilen muß der Suchende hierbei die Frequenzverstimmung, welche bei kleinen Metallteilen sehr gering ist, feststellen. Diese kleinen Veränderungen der Frequenz des Tones sind für ungeübte Personen nur schwer wahrnehmbar, wodurch eine Suche mit dem beschriebenen Gerät für den Laien sehr schwierig wird.

Bei der zweiten Methode handelt es sich um ein Kompensationsverfahren. Dabei werden zwei identische Spulen verwendet, wobei eine davon als Suchspule ausgeführt ist. Bei einer Verstimmung der Suchspule mit einem Metallstück ändert sich wiederum die Induktivität der Suchspule im Vergleich zur zweiten Spule. In einer Brückenschaltung werden die Induktivitätsänderungen der beiden Spulen ausgewertet. Da die Induktivitätsänderung auch hier sehr gering ist, ist eine Auswertung problematisch und die Empfindlichkeit des Gesamtsystems läßt sich nur ungenügend steigern.

Bezüglich des Standes der Technik wird auf die Russische Patentschrift SU 875215 B hingewiesen. Diese Schrift beschreibt und zeigt ein Metallsuchgerät mit einer Suchspule in einem Schwingkreis, wobei der Schwingkreis einen regelbaren Widerstand aufweist, weiterhin eine elektrische Schaltung zur Detektion von Induktivitätsänderungen und eine Anzeigevorrichtung.

Der Nachteil dieses Metallsuchgerätes ist die mangelnde Empfindlichkeit und die problematische Handhabung, die erfahrenes Fachpersonal beansprucht, um den Schwingkreis jeweils in einen optimalen Zustand, das heißt möglichst empfindlich, einzustellen.

Es besteht also das Problem bei den bekannten Metallsuchgeräten, daß deren Bedienung eine große Erfahrung durch einen Fachmann bedarf beziehungsweise das deren Empfindlichkeit nicht ausreicht.

Weiterhin wird noch auf die Deutschen Patentanmeldungen DE 196 26 363 A1, DE 196 48 120 A1 und auf das Deutsche Gebrauchsmuster DE 295 10 304 U1 hingewiesen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Metallsuchgerät zu schaffen, welches über eine verbesserte Empfindlichkeit verfügt und welches auch durch einen Nichtfachmann einfach bedient werden kann. Außerdem soll das Metallsuchgerät auch einfach und kostengünstig produziert werden können. Ebenso ist es Aufgabe der Erfindung ein neues Verfahren zur Detektion Metallgegenständen in einer sonst nicht metallischen Umgebung mit hoher Empfindlichkeit anzugeben.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des ersten Vorrichtungsanspruches und des ersten Verfahrensanspruches gelöst.

Demgemäß ist das erfindungsgemäße Metallsuchgerät zum Suchen von verborgenen metallischen Gegenständen in einer nichtmetallischen Umgebung mindestens ausgestattet mit einer Suchspule in einem Schwingkreis, einer elektrischen Schaltung zur Detektion von Induktivitätsänderungen, einer Anzeigevorrichtung, wobei der Schwingkreis über einen regelbaren Widerstand verfügt, wodurch die Rückkopplung des Schwingkreises mit der Suchspule so variiert werden kann, daß der Schwingkreis sich in einem Zustand gerade kurz nach dem Schwingungseinsatz befindet.

In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, daß das Metallsuchgerät auch über ein Mittel zur Konvertierung von analogen Signalen in digitale Signale zur Messung der Schwingungsamplitude des Schwingkreises, einen elektronischer Speicher zur Speicherung von digitalen Referenzwerten eines Schwingungszustandes des Schwingkreises, ein Mittel zum Vergleichen des gespeicherten Referenzwertes und des aktuellen Wertes und eine Vorrichtung zur Anzeige der Differenzwertinformation zwischen Referenzwert und Istwert verfügt.

Vorteilhaft kann es sein, wenn das Metallsuchgerät zusätzlich über ein Mittel zur Erkennung und gegebenenfalls Anzeige des Schwingungszustandes des Schwingkreises verfügt.

Weiterhin kann es Vorteilhaft sein das Metallsuchgerät mit einem Mittel zur Erzeugung von elektrischen Schwingungen und gegebenenfalls zu deren Ausgabe zum Beispiel über einen Lautsprecher auszustatten.

Die oben genannten Ausstattungsmerkmale können auch ganz oder teilweise in einem entsprechend programmierten handelsüblichen Mikroprozessor integriert sein. Somit besteht das erfindungsgemäße Metallsuchgerät dann also in an sich bekannter Weise aus einer Suchspule, einer elektrischen Schaltung zur Detektion von Induktivitätsänderungen, einer Anzeigevorrichtung und einem Mikroprozessor, wobei die erfindungsgemäße Ausführung des Metallsuchgerätes über eine elektronische Schaltung verfügt, die es erlaubt, die Rückkopplung des elektronischen Schwingkreises mit der Suchspule so zu variieren, daß der Schwingkreis gerade kurz nach dem Schwingungseinsatz betrieben wird. Damit wird eine zusätzliche Entdämpfung der Suchspule erreicht, was wiederum zu einer deutlichen Güteverbesserung des Schwingkreises führt. Hierdurch erzeugt schon die geringste Verstimmungen durch einen Metallgegenstand eine signifikante Reduzierung des Oszillatorpegels. Eine ähnliche elektronische Schaltung ist aus dem Bereich der Funkgeräte als Gütemultiplikator aus "Transistortechnik für den Funkamateur", 1962, Dipl. Phys. H. J. Fischer bekannt. Es wird insbesondere auf die Seiten 182-184 hingewiesen, deren Offenbarungsgehalt hiermit vollumfänglich in diese Anmeldung einbezogen wird. Bei sehr großer Dämpfung kann dabei die Schwingung des Oszillators sogar ganz abreißen. Mit dieser Maßnahme ist es nun möglich, die Empfindlichkeit des Metallsuchgerätes wesentlich zu steigern. Über eine Anzeige der Amplitudendifferenz ist die Bedienung des Gerätes wesentlich zu vereinfachen.

Gemäß einer vorteilhaften Weitergestaltung des erfindungsgemäßen Metallsuchgerätes kann der Mikroprozessor dann dazu genutzt werden, eine Kalibrierung des Schwingkreises in kurzen Abständen durchzuführen, so daß jederzeit sicher gestellt ist, daß der Schwingkreis sich im gewünschten Rückkopplungsbereich, also gerade kurz nach dem Schwingungseinsatz, befindet.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Metallsuchgerätes besteht darin, daß zur Vermeidung von Störungen der Tragarm des Suchgerätes aus Kunststoff besteht. Vorteilhaft ist hierbei, die Ausgestaltung des Tragarms und des Gehäuses der Spule und der Elektronik zweischalig auszuführen, wobei die beiden Schalen über einen Dichtungskeder verfügen.

Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, den Tragarm des Metallsuchgerätes mit einem Teleskop auszustatten, wobei ebenfalls vorteilhaft die Leitungen innerhalb des Teleskops und innerhalb des Kunststoffgehäuses verlaufen, so daß eine unbeabsichtigte Beschädigung der elektrischen Leitung vermieden werden kann.

Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale der Erfindung nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Die Figuren zeigen im einzelnen:

Fig. 1: Schaltbild eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Metallsuchgerätes;

Fig. 2: Funktioneller Aufbau des erfindungsgemäßen Metallsuchgerätes;

Fig. 3a-3c: Drei Ansichten des Metallsuchgerätes mit Teleskoparm;

Fig. 4a-4c: Drei Ansichten eines dreiteilig aufgebauten Metallsuchgerätes;

Fig. 5a-5b: Zwei Ansichten eines Metallsuchgerätes mit Teleskoparm und innenlaufende Verbindungsleitung zwischen Elektronik und Suchspule.

Die Fig. 1 zeigt eine beispielhafte Ausführung der elektronischen Schaltung des erfindungsgemäßen Metallsuchgerätes. Die Suchspule L01, die gleichzeitig die Oszillatorspule ist, besitzt eine Anzapfung, über die ein Teil der Spannung über die Kombination R01 bis R08 und den Operationsverstärker OP1 rückgekoppelt wird. Mit den Potentiometer kann der Grad der Kopplung eingestellt werden. Der Bereich ist dabei so dimensioniert, daß zwischen gerade anschwingen und stabiler Schwingamplitude variiert werden kann. Gerade Anschwingen bedeutet dabei hohe Entdämpfung des Kreises und höchste Suchempfindlichkeit.

Das Oszillatorsignal wird mit C06 ausgekoppelt und danach gleichgerichtet. Am positiven Eingang des zweiten Operationsverstärkes steht jetzt eine Gleichspannung zur Verfügung, die proportional zur Schwingamplitude des Oszillators ist. Bei Verstimmung des Schwingkreises wird diese Spannung entsprechend kleiner.

Durch den zweiten Operationsverstärker OP2 wird diese Spannung so weit verstärkt, daß diese ursprünglich sehr kleine Spannungsänderungen an einem Analog-Digital- Wandler im Mikroprozessor verarbeitet werden können. Um den nötigen Arbeitsbereich abzudecken, wird der Verstärker als subtrahierender Verstärker betrieben. Nach dem Analog-Digital-Wandler wird über mehrere Leuchtdioden die Höhe der Verstimmung direkt angezeigt.

Der Mikroprozessor 5 wird in der Schaltung weiterhin dazu genutzt, die Bedienung zu vereinfachen und um eine automatische Kalibrierung des Systems durchzuführen. Um eine konstante Verstimmung automatisch auszublenden, beziehungsweise selbsttätiges Driften des Oszillatorpegels zu eliminieren, wird das digitalisierte Signal einem Referenzwertspeicher zugeführt. In konstanten Zeitabständen, hier ca. alle 5 Sekunden, wird mittels eines Timers dieses Signal in den Referenzwertspeicher übertragen. In einem nachfolgenden Vergleicher wird der Referenzwert mit dem Augenblickswert verglichen. Aus diesem Vergleich wird jetzt eine Leuchtdiodenanzeige (Amplitudendifferenzanzeige) und eine Tongenerierung abgeleitet. Durch die sich alle 5 Sekunden wiederholende Eichung werden zum Beispiel Temperatureffekte, Stabilitätsschwankungen und konstante Verstimmungen (zum Beispiel bei Messungen über mineralhaltigen Böden) automatisch eliminiert.

Um eine einfache Einstellung der Suchempfindlichkeit zu ermöglichen, wird ein bestimmter Amplitudenbereich (Bereichskennung) des Oszillators mit einer LED gekoppelt, die zum Beispiel die Einstellung für die höchste Suchempfindlichkeit anzeigt. Für eine sichere Auswertung wird über den Mikroprozessor aus der kleinsten meßbaren Verstimmung (Spannungsdifferenz) der Tongenerator so verändert, daß sich hieraus eine markante Tonsignaländerung ergibt. Dies kann in unterschiedlicher Weise erfolgen, so kann zum Beispiel das Tastverhältnis, eine Pegeländerung oder Frequenzänderung durchgeführt werden oder auch unterschiedliche Tonfolgen oder Signale ausgegeben werden.

In der Fig. 2 ist ein Prinzipschaubild der Schaltung des mikroprozessorgesteuerten Metallsuchgerätes dargestellt. Hierbei ist die Suchspule L01 mit dem Oszillatorschaltung 1 verbunden, die zum Amplitudengleichrichter führt und mit dem Mikroprozessor 5 verbunden ist. Das Ausgangssignal aus dem Amplitudengleichrichter 2 wird dem Mikroprozessor integrierten Analog-Digital-Wandler 6 zugeführt, die vom Analog-Digital-Wandler 6 erzeugten Signale werden einerseits der automatischen Kalibriereinheit mit ihrem Referenzwertspeicher 9 und Timer 8 übergeben und andererseits in die Bereichserkennung 7 und dem Vergleicher 10 zugeleitet. Die Bereichserkennung 7 ist mit einer Oszillatorbereichsanzeige 3 verbunden, die über eine LED die Einstellung für die höchste Suchempfindlichkeit anzeigen kann. Weiterhin wird das vom Analog/Digital-Wandler 6 ausgegebene Signal vom Vergleicher 10 mit dem Referenzwert des Referenzwertspeichers 9 verglichen und beim signifikanten Differenzwert der Differenzwert an die Amplitudendifferenzanzeige 4 weitergeleitet und/oder einem Tongenerator 11 zugeführt, der entsprechend des ausgegebenen Differenzwertes unterschiedliche akustische Anzeigen über einen Lautsprecher/Kopfhörer 10 ausgibt.

Die Fig. 3a-3c zeigen unterschiedliche Ansichten eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Metallsuchgerätes. Das Metallsuchgerät verfügt auf der Unterseite über ein Gehäuse 20, in dem sich die Suchspule befindet. Das Gehäuse 20 ist über einen Tragarm, bestehend aus einem unteren Arm 21, der mit einem oberen Arm 22 teleskopartig zusammengesteckt ist, mit dem Handgriff 25 verbunden. Der Handgriff 25 gehr direkt über in eine Unterarmstütze 23, die ein einfaches dirigieren der Suchspule mit Hilfe einer Hand ermöglicht. Am unteren Arm 21 befindet sich ein Gehäuse 24, in dem weitest gehend die Elektronik des Metallsuchgerätes untergebracht ist. Auf dem Gehäuse 24 sind eine Reihe von Leuchtdioden untergebracht, die als Bereichsanzeige dienen können und zwei Potentiometer zur Grundkalibrierung des Systems und zur Regelung der Lautstärke eines Lautsprechers. Ebenso können hieran Steckbuchsen für den Anschluß eines Kopfhörers beziehungsweise ein Lautsprecher integriert werden. In der Fig. 3a ist das Metallsuchgerät in einem weitestgehend eingefahrenen Teleskoparm 22 gezeigt, während die Fig. 3b eine ausgefahrene Situation des teleskopartigen, oberen Armes 22 darstellt. Die Fig. 3c zeigt das Metallsuchgerät in seinen beiden Einzelteilen.

Die Fig. 4a-4c zeigen drei Ansichten einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführung des Metallsuchgerätes. Zum Unterschied zu dem in der Fig. 3a-3c gezeigten Metallsuchgerät weist dieses anstelle des einteiligen Tragarms 21 einen teleskopartig verbundenen zweiteiligen Arm 21.1 und 21.2 auf. Durch diese Ausführungsform ist - wie es in der Fig. 4c erkennbar ist - das Gerät dreiteilig auseinander zu nehmen und auf kompakte Weise transportierbar.

Die Fig. 5a und 5b zeigen das Metallsuchgerät der Fig. 4a-4c, wobei zusätzlich die im Innengehäuse laufende Leitung 26, welches die Elektronik des Metallsuchgerätes mit der Suchspule verbindet, gezeigt ist. Die Leitung 26 ist spiralfederförmig aufgewickelt und kann sich so der entsprechenden Länge des telekopartigen Tragarms 21.1 und 21.2 in ein- oder ausgefahrenem Zustand anpassen.

Alle dargestellten Metallsuchgeräte der Fig. 3a bis 5b weisen eine Schnittlinie 20.1 auf, die andeutet, daß die Gehäuseeinzelteile in zweiteiligen Spritzgußformen hergestellt werden können und durch einfaches Aneinanderfügen und Abdichten mittels eines Dichtungskeders zusammengesetzt werden können. Die Unterarmhalterungen 23 weisen an ihren Seiten Verlängerungen auf, so daß der Unterarm des Benutzers nicht vom Unterarmträger abrutschen kann.

Mit all den aufgezeigten Ausführungsformen ist nun gegenüber dem Stand der Technik ein Metallsuchgerät geschaffen, welches einerseits aufgrund seiner leichten Bedienbarkeit und seiner hohen Empfindlichkeit auch für einen Nichtfachmann sicher zu bedienen ist und gleichzeitig auch eine sehr preisgünstige Ausführungsform eines Metallsuchgerätes darstellt.

Bezugszeichenliste

1

Oszillatorschaltung

2

Amplitudengleichrichter

3

Oszillatorbereichsanzeige

4

Amplitudendifferenzanzeige

5

Mikroprozessor

6

Analog/Digital-Wandler

7

Bereichserkennung

8

Timer/Zeitgeber

9

Referenzwertspeicher

10

Vergleicher

11

Tongenerator

12

Lautsprecher

20

Gehäuse für Suchspule

20.1

Schnittlinie

21

unterer Arm

22

oberer Arm

23

Unterarmstütze

24

Gehäuse für Elektronik

25

Handgriff

26

spiralförmige Leitung
CXXKondensator
DXXDiode/LED
LXXSpule
OPXOperationsverstärker
RXXWiderstand
QXXQuarz

Claims (11)

1. Metallsuchgerät zum Suchen von verborgenen metallischen Gegenständen in einer nichtmetallischen Umgebung mit:
einer Suchspule in einem Schwingkreis, wobei der Schwingkreis einen regelbaren Widerstand aufweist,
einer elektrischen Schaltung zur Detektion von Induktivitätsänderungen und
einer Anzeigevorrichtung,
dadurch gekennzeichnet, daß
eine automatische Regelung des Schwingkreises (L01, 1) vorgesehen ist, welche die Rückkopplung des Schwingkreises in einen Zustand gerade kurz nach dem Schwingungseinsatz einstellt.

2. Metallsuchgerät gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die automatische Regelung des Schwingkreises (L01, 1) zumindest die folgenden Merkmale aufweist:
ein Mittel (6) zur Konvertierung von analogen Signalen in digitale Signale zur Messung der Schwingungsamplitude des Schwingkreises,
einen elektronischen Speicher (9) zur Speicherung von digitalen Referenzwerten eines Schwingungszustandes des Schwingkreises in Form der Amplitudenhöhe,
ein Mittel (10) zum Vergleichen des gespeicherten Referenzwertes der Amplitude und des aktuellen Wertes der Amplitude und
daß die Anzeigevorrichtung (4) aus der Differenzinformation zwischen Referenzwert und Istwert gespeist wird.

3. Metallsuchgerät gemäß einem der Ansprüche 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Mittel (7) zur Erkennung und gegebenenfalls Anzeige (3) des Schwingungszustandes des Schwingkreises (L01, 1) vorgesehen ist.

4. Metallsuchgerät gemäß einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Mittel (11) zur Erzeugung von elektrischen Schwingungen und gegegebenenfalls eine Ausgabe (12) der Schwingungen vorgesehen sind.

5. Metallsuchgerät gemäß einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Mittel (20) zum Schutz der Suchspule (L01) gegen mechanische Beeinflussung vorgesehen ist.

6. Metallsuchgerät gemäß einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es über einen teleskopartig längenverstellbaren Tragarm (21, 22) verfügt.

7. Metallsuchgerät gemäß einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gehäuse (24) zur Aufnahme der Elektronik vorgesehen ist, welches am Tragarm (21, 22) befestigt ist oder im Tragarm (21, 22) integriert ist.

8. Metallsuchgerät gemäß einem der Ansprüche 6-7, dadurch gekennzeichnet, daß der Tragarm (21, 22) und gegebenenfalls das Gehäuse (24) aus Kunststoff ist.

9. Metallsuchgerät gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß alle Kunststoffteile in Längsrichtung zweiteilig und gegebenenfalls mit einem Dichtungskeder versehen sind.

10. Verfahren zur Detektion eines metallischen Gegenstandes in einer nicht-metallischen Umgebung mit den folgenden Verfahrensschritten:
Abstimmung eines Schwingkreises mit einer Suchspule auf eine Rückkopplung, bei der der Schwingkreis kurz nach dem Schwingungseinsatz eingestellt wird,
Bestimmung eines Referenzwertes der Schwingungsamplitude,
Bestimmung der Amplitudendifferenz zwischen Referenzamplitude und aktueller Amplitude und Anzeige der Amplitudendifferenz.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung der Referenzamplitude in kurzen Zeitabständen erfolgt.