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Dokumentenidentifikation DE10150482A1 18.06.2003
Titel Bodenmineralisierung zurückweisender Metalldetektor (Übertragungssignal)
Anmelder BHC Consulting PTY LTD., Glenside, AU
Erfinder Candy, Bruce Halcro, South Australia, AU
Vertreter Keil & Schaafhausen Patentanwälte, 60322 Frankfurt
DE-Anmeldedatum 16.10.2001
DE-Aktenzeichen 10150482
Offenlegungstag 18.06.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 18.06.2003
IPC-Hauptklasse G01V 3/11
IPC-Nebenklasse G01R 33/12   
Zusammenfassung Eine Metalldetektorvorrichtung mit einer Übertragungsspule, die ein magnetisches Feld überträgt, einem Übertragungstiming-Steuerungskreis und einem Empfangssignalkreis und einem Empfangssignal-Verarbeitungskreis und einer Niedrigenergie- und einer Hochenergieversorgung. Die mit der in dem Übertragungssignal-Steuerungskreis erzeugte Timingsequenz erzeugt Steuerungssignale, so dass wenigstens zwei verschiedene Übertragungsperioden, eine kurze und eine lange Periode, und dass Perioden vorhanden sind, in denen kein Strom durch die Übertragungsspule fließt. Die Timingsequenz ist so, dass eine mittlere Übertragungsspulenenergie beim Beenden der langen Periode ähnlich ist zu der mittleren Übertragungsspulenenergie beim Beenden der kurzen Perioden.

Beschreibung[de]

In US-Patent No. 5576624 habe ich eine Metalldetektorvorrichtung offenbart, die geeignet ist, im Wesentlichen von der magnetische Erden enthaltenden Bodenmineralisation herrührende Signale zu reduzieren. Verschiedene Modelle, die diese Prinzipien nutzen, wurden kommerzialisiert und sehr erfolgreich von Goldsuchern und für die Landminendetektion verwendet. Während die Verbessung verglichen mit anderen vorhandenen Metalldetektoren bemerkenswert war, werden hier weitere Verbesserungen bezogen auf ein verbessertes Signal- Rauschverhältnis und bi-polare Übertragungsfelder offenbart.

Die vorhandenen Entminungs-Metalldetektor-Produkte, die die Prinzipien meines Patents verwenden, sind für manche militärische Organisationen wegen ihres uni-polaren Übertragungsfeldes nicht akzeptabel. Diese Organisationen fordern Metalldetektoren, die Netto-Null-Magnetfelder übertragen, damit sogenannte "smart mines", die auf langsame Änderungen in dem statischen Umgebungsmagnetfeld (bspw. verursacht durch Störungen des Erdfeldes durch bewegende Panzer) ansprechen, durch den Metalldetektor nicht zur Explosion gebracht werden. Goldsucher wünschen immer, Gold in größeren Tiefen zu finden.

Ein Ziel dieser Erfindung ist es, die Fähigkeit von Metalldetektoren zum Lokalisieren von Targets in größerer Tiefe zu verbessern und ein bipolares magnetisches Feld mit einem Null-Netto-Fluss zu erzeugen.

In US-Patent No. 5576624 habe ich eine Metalldetektorvorrichtung offenbart, die eine Pulsinduktionswellenform überträgt.

Die Vorteile von Pulssequenzen, die Pulse verschiedener Länge enthalten, wurden offenbart. Die empfangene Signalantwort von magnetischen Erden ist ungefähr dieselbe für alle solche Erden (ausgenommen die Gesamtamplitude).

Im Gegensatz dazu variiert die Antwort von Metalltargets beträchtlich. Wenn daher ein Anteil von einem Teil des empfangenen Signals von einer Linearkombination eines verschiedenen Teils des empfangenen Signals subtrahiert wird, ist es möglich, die Koeffizienten der Linearkombination zu selektieren, so dass die Antwort von magnetischen Erden herausfällt. Im Allgemeinen resultiert eine bestimmte Linearkombination, bei der Signal von magnetischen Erden herausfällt, eine erste Linearkombination, nicht in der Löschung der meisten Metalltargets, mit Ausnahme einiger spezieller Metalltargets mit einem speziellen Wirbelstrom-Zeitkonstantenverfall einer ersten Wirbelstrom- Zerfallszeitkonstante, die auch zu einem ersten Linearkombinationsergebnis von Null führt. Um Metalltargets mit dieser ersten Wirbelstrom-Zerfallszeitkonstante zu detektieren, wird eine verschiedene Linearkombination von verschiedenen aufgenommenen Empfangssignalen, eine zweiten Linearkombination, benötigt, um Antworten von magnetischen Erden zu löschen und das erste Wirbelstrom- Zeitkonstantenzerfallssignal nicht zu löschen. Ebenso wird die zweite Linearkombination ein spezielles Metallwirbelstrom-Zerfallssignal eines zweiten Wirbelstrom-Zeitkonstantenzerfalls löschen, das nicht durch die erste Linearkombination gelöscht wird, wenn sie geeignet ausgewählt wird. Daher können durch simultanes Messen und Berechnen von wenigstens zwei Linearkombinationen alle Metalltargets detektiert und Signale von magnetischen Erden näherungsweise gelöscht werden.

In US-Patent No. 5576624 habe ich eine Metalldetektorvorrichtung offenbart, die auf von der Bewegung einer Suchspule relativ zum Erdmagnetfeld und zu Magnetfeldern von magnetischen Erden und Steinen induzierte EMK-Signale nicht sensitiv ist. Dies wird erreicht, indem das gesamte über einen kompletten Zyklus integrierte Empfangssignal Null gewählt wird.

Ein Ziel dieser Erfindung ist es, die Effizienz einer Metalldetektorvorrichtung dieses allgemeinen Typs zu verbessern.

In einer Form dieser Erfindung kann gesagt werden, dass sie in einer Metalldetektorvorrichtung mit einer Übertragungsspule liegt, die geeignet ist, beim Betrieb mit durch die Übertragungsspule fließendem elektrischem Strom ein magnetisches Feld zu übertragen, einem Übertragungstiming-Steuerkreis und einem Empfangssignalkreis und einem Empfangssignal-Verarbeitungskreis;

und mit wenigstens zwei Energieversorgungen, einer ersten und einer zweiten Energieversorgung, wobei eine zum Bereitstellen einer Niedrigspannung beim Betrieb zwischen 3 und 30 V und die andere zum Bereitstellen einer Hochspannung beim Betrieb zwischen 75 und 400 V angepasst ist,

mit einem ersten Schalter, der angepasst ist, die Spule mit der ersten Energieversorgung zu verbinden, ggf. über eine Diode oder Dioden oder passive Komponenten oder beides,

mit einem zweiten Schalter, der angepasst ist, die Spule mit der zweiten Energieversorgung zu verbinden, ggf. über eine Diode oder Dioden oder passive Komponenten oder beides,

mit einer dritten Diode oder einem dritten Schalter, der angepasst ist, die Übertragungsspule mit der zweiten Energieversorgung zu verbinden, ggf. über andere Dioden oder passive Komponenten, wenn eine Rück-EMK von der Spule einen Stromfluss in eine bestimmte Richtung verursacht,

mit einer vierten Diode oder einem viertem Schalter, der angepasst ist, die Übertragungsspule mit der zweiten Energieversorgung zu verbinden, ggf. über andere Dioden oder passive Komponenten, wenn eine Rück-EMK von der Spule einen Stromfluss in eine andere bestimmte Richtung verursacht,

mit einer in dem Übertragungstiming-Steuerungskreis generierten Timingsequenz, die angepasst ist, Steuerungssignale für die Schalter zu erzeugen,

und wobei die Timingsequenz angepasst und anderweitig verbunden ist, um die Schalter so zu steuern, dass Perioden existieren, in denen kein Strom durch die Übertragungsspule fließt.

Vorzugsweise kann in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung gesagt werden, dass sie in einer Metalldetektorvorrichtung mit einer Übertragungsspule liegt, die eingerichtet ist, beim Betrieb mit durch die Übertragungsspule fließendem elektrischem Strom ein magnetisches Feld zu übertragen, einem Übertragungstiming-Steuerungskreis und wenigstens zwei Energieversorgungen, einer dritten und einer vierten Energieversorgung, wobei die Spannung der einen Versorgung während des Betriebs verschieden ist von der der anderen, und einem Empfangssignalkreis und einem Empfangssignal-Verarbeitungskreis;

und mit wenigstens zwei Schaltern,

mit einem dritten Schalter, der angepasst ist, die Spule mit der dritten Energieversorgung zu verbinden, ggf. über eine Diode oder Dioden oder passive Komponenten oder beides,

mit einem vierten Schalter, der angepasst ist, die Spule mit der vierten Energieversorgung zu verbinden, ggf. über eine Diode oder Dioden oder passive Komponenten oder beides,

mit einer fünften Diode oder einem fünften Schalter, der geeignet ist, die Übertragungsspule mit einer fünften Spannungsversorgung zu verbinden, wenn von der Rück-EMK resultierender Strom von der Spule fließt,

mit der in dem Übertragungstiming-Steuerungskreis generierten Timingsequenz, die angepasst ist, Steuerungssignale für die Schalter zu erzeugen, wobei wenigstens zwei verschiedene Übertragungsperioden, eine kurze und eine lange Periode, vorhanden sind,

und wobei die Timingsequenz angepasst ist, die Schalter so zu steuern, dass Perioden vorhanden sind, in denen kein Strom durch die Übertragungsspulen fließt,

und wobei die Timingsequenz ausgewählt ist, die Schalter so zu steuern, dass eine mittlere Übertragungsspulenenergie am Ende der langen Perioden ähnlich ist zu einer mittleren Übertragungsspulenenergie am Ende der kurzen Perioden,

und wobei die Timingsequenz ferner eingerichtet ist, die Schalter so zu steuern, dass der lange Puls wenigstens drei mal die Länge des kurzen Pulses aufweist,

Vorzugsweise sind eine Energieversorgung durch eine direkte Verbindung an das Erdpotential ersetzt, und die von dem Übertragungstiming-Steuerungskreis

erzeugte Timingsequenz angepasst, Steuerungssignale für die Schalter zu erzeugen, wobei wenigstens zwei verschiedene Übertragungsperioden, eine kurze und eine lange Periode, vorgesehen sind;

wobei während der langen Periode der dritte Schalter an- und ausgepulst wird und der vierte Schalter wenigstens während der Perioden, in denen dritte Schalter ausgeschaltet ist, angeschaltet ist.

Vorzugsweise kann in einer weiteren Form dieser Erfindung gesagt werden, dass sie in einer Metalldetektorvorrichtung mit einer Übertragungsspule liegt, die angepasst ist, beim Betrieb mit durch die Übertragungsspule fließendem elektrischem Strom ein magnetisches Feld zu übertragen, einem Übertragungstiming-Steuerungskreis und wenigstens einer Energieversorgung, einer sechsten Energieversorgung, und einem Empfangssignalkreis und einem Empfangssignal-Verarbeitungskreis;

und mit wenigstens zwei Schaltern,

einem achten Schalter, der angepasst ist, die Spule mit der sechsten Energieversorgung zu verbinden, ggf. über eine Diode oder Dioden oder passive Komponenten oder beides,

und einem neunten Schalter, der angepasst ist, die Spule mit 0 V oder dem Erdpotential zu verbinden, ggf. über eine Diode oder Dioden oder passive Komponenten oder beides,

mit einer zehnten Diode oder einem zehnten Schalter, der angepasst ist, die Übertragungsspulenspannung an eine sechste Spannungsversorgung anzuklemmen, wenn von der Rück-EMK von der Spule resultierender Strom fließt,

und mit der in dem Übertragungstiming-Steuerungskreis erzeugten Timingsequenz, die angepasst ist, Steuerungssignale für die Schalter zu erzeugen, wobei wenigstens zwei verschiedene Übertragungsperioden, eine kurze und eine lange, vorhanden sind,

wobei während der langen Periode der achte an- und ausgepulst wird und der neunte Schalter wenigstens während der Perioden, in denen der achte Schalter ausgeschaltet wird, angeschaltet wird,

und mit der Timingsequenz, die ausgewählt ist, die Schalter so zu steuern, dass Perioden vorhanden sind, in denen kein Strom durch die Übertragungsspule fließt,

und mit der Timingsequenz, die ausgewählt ist, die Schalter so zu steuern, dass die gesamte Übertragungsspulenenergie beim Beenden der langen Perioden ähnlich ist zu der gesamten Übertragungsspulenenergie beim Beenden der kurzen Perioden,

und mit der Timingsequenz, die ausgewählt ist, die Schalter so zu steuern, dass der lange Puls wenigstens dreimal die Dauer des kurzen Pulses hat.

Vorzugsweise kann in einer weitern Form der Erfindung gesagt werden, dass sie in einer Metalldetektorvorrichtung mit einer Übertragungsspule, die angepasst ist, beim Betrieb mit durch die Übertragungsspule fließendem elektrischem Strom ein magnetisches Feld zu übertragen, einem Übertragungstiming- Steuerungskreis und einem Empfangssignalkreis und einem Empfangssignal- Verarbeitungskreis;

und wenigstens zwei Energieversorgungen, einer siebten und einer achten Energieversorgung,

wobei die Spannung der einen Versorgung beim Betrieb verschieden ist von der der anderen,

mit einem zehnten Schalter, der angepasst ist, die Spule mit der siebten Energieversorgung zu verbinden, ggf. über eine Diode oder Dioden oder passive Komponenten oder beides,

mit einem elften Schalter, der angepasst ist, die Spule mit der achten Energieversorgung zu verbinden, ggf. über eine Diode oder Dioden oder passive Komponenten oder beides,

mit einer zwölften Diode oder einem zwölften Schalter, der angepasst ist, die Übertragungsspulenspannung an die achte Energieversorgung anzuklemmen, wenn von der Rück-EMK von der Spule resultierender Strom in eine bestimmte Richtung fließt,

mit einer dreizehnten Diode oder einem dreizehnten Schalter, der angepasst ist, die Übertragungsspulenspannung an die siebte Energieversorgung anzuklemmen, wenn von der Rück-EMK von der Spule resultierender Strom in eine andere bestimmte Richtung fließt,

mit der in dem Übertragungssignal-Steuerungskreis erzeugten Timingsequenz, die angepasst ist, Steuerungssignale für die Schalter zu erzeugen, wobei wenigstens zwei verschiedene Übertragungsperioden, eine kurze und eine lange Periode, vorhanden sind,

und mit der Timingsequenz, die angepasst ist, die Schalter so zu steuern, dass Perioden vorhanden sind, in denen kein Strom durch die Übertragungsspule fließt,

und mit der Timingsequenz, die ausgewählt ist, die Schalter so zu steuern, dass die gesamte Übertragungsspulenenergie beim Beenden der langen Perioden ähnlich ist zu der gesamten Übertragungsspulenenergie beim Beenden der kurzen Perioden,

und mit der Timingsequenz, die ausgewählt ist, die Schalter so zu steuern, dass der lange Puls wenigstens dreimal die Dauer des kurzen Pulses hat,

und mit der EMK der siebten Energieversorgung, die wenigstens das doppelte der achten Energieversorgung ist.

Vorzugsweise sind eine Energieversorgung durch eine direkte Verbindung an das Erdpotential ersetzt ist, und die in dem Übertragungstiming-Steuerungskreis erzeugte Timingsequenz angepasst, Steuerungssignale für die Schalter zu erzeugen, wobei wenigstens zwei verschiedene Übertragungsperioden, eine kurze und eine lange Periode, vorhanden sind, wobei während der langen Periode der zehnte an- und ausgepulst wird, und der elfte Schalter wenigstens während der Perioden, wenn der zehnte Schalter ausgeschaltet ist, angeschaltet ist.

Für ein besseres Verständnis der Erfindung wird diese nun mit Bezug zu einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben, die mit Unterstützung der Zeichnung beschrieben werden soll, wobei

Fig. 1 eine symmetrische bi-polare Pulsinduktionsübertragungswellenform nach dem Stand der Technik zeigt,

Fig. 2 ein Beispiel einer bi-polaren Übertragungsspannungswellenform gemäß einer ersten Ausführungsform illustriert, bei der die Spannungen in diesem Beispiel die typischen Niedrig- und Hochspannungssignale beide umfassen, die in den meisten konventionellen Pulsinduktionsdetektoren gefunden werden,

Fig. 3 ein Beispiel eines Schaltplans zur Übertragung eines Signals wie das von Fig. 2 ist, bei dem es kein gemitteltes mono-polares Nettomagnetfeld gibt,

Fig. 4 ein Beispiel eines mono-polaren Pulsinduktionsübertragungssignal- Generators gemäß einer zweiten Ausführungsform ist, der wenigstens zwei niedrige Spannungen, zuzüglich Null Volt, und die übliche Hochspannungs-Rück-EMK generiert, d. h. die Gesamtheit von vier verschiedenen Spannungen ist, ausgenommen das Übertragungssignal,

Fig. 5 ein Beispiel einer bi-polaren Pulsinduktionsübertragungs- Spulensignalspannnungswellenform ist, die die vier Übertragungssignalspannungen und auch typische Empfangswellenformen enthält,

Fig. 6 ein Beispiel einer Spannungswellenform ist, die durch den in Fig. 3 gezeigten elektronischen Schaltkreis erzeugt werden kann,

Fig. 7 ein Beispiel eines Schaltkreises ist, der bi-polare magnetische Übertragungssignale und ebenso drei verschiedene Übertragungsspulenantriebsspannungen generieren kann,

Fig. 8 zwei Wege zur tatsächlichen Generierung eines Langpulssignals mit zwei verschiedenen Spannungen aber mit derselben Periode und demselben in Fig. 6 gezeigten Piekübertragungsstrom zeigt.

Die meisten Induktionsmetalldetektoren übertragen ein mono-polares Übertragungssignal, das durch Anlegen einer typischerweise negativen Spannung von einigen Volt für typischerweise einige zehn oder hundert Mikrosekunden an eine Übertragungsspule erzeugt wird, die auch zum Empfang genutzt werden kann, und beim Aufhören der angelegten Spannung wird typischerweise eine resultierende Rück-EMK von einigen hundert Volt angeklemmt und die Energie so als Wärme abgeleitet.

Einige recht selten vorkommende bi-polare Pulsinduktionsdetektoren übertragen eine Komplementärspannungswellenform. Wenn die Übertragungsspule gleichzeitig als Empfangsspule genutzt werden soll, resultiert dies in einem ziemlich komplexen elektronischen Übertragungs-/Empfangsschalter, der benötigt wird, wenn es sich um einen Empfänger mit niedrigem Rauschen handelt. Ein typisches Beispiel dieser bi-polaren Spannungswellenform ist in Fig. 1 gezeigt. Hier sind zwei Zyklen gezeigt. Während Periode 1 werden mehrere Volt negativ über die Übertragungsspule erzeugt, Periode 2 ist die bei einigen hundert Volt positiv angeklemmte Rück-EMK, Periode 3 liegt bei null Volt, wenn kein magnetisches Feld übertragen wird und der Empfänger aktiv ist. Periode 4 liegt bei einer angelegten Spannung von mehreren Volt positiv und Periode 5 ist die bei einigen hundert Volt negativ angeklemmte Rück-EMK.

Ein einfacheres Mittel zum Erreichen eines bi-polaren Signals liegt darin, dem konventionellen Pulsinduktionssignal mit einem "zeitumgekehrten" Signal zu folgen, d. h. dem gewöhnlichen mono-polaren Signal durch Anlegen eines Hochspannungssignals von einigen hundert Volt an die Übertragungsspule zu folgen und dann der Rück-EMK zu erlauben, an die mehrere Volt negative Versorgung angeklemmt zu sein. Als Beispiel für ein solches Signal zeigt Fig. 2 zwei Zyklen. Periode 6 liegt bei angelegten mehreren Volt negativ, Periode 7 ist die bei einigen hundert Volt positiv angeklemmte Rück-EMK, und Periode 8 liegt bei Null Volt, wenn kein magnetisches Feld übertragen wird und der Empfänger aktiv ist. Soweit ist dies die typische mono-polare Pulsinduktionswellenform. Periode 9 liegt an, wenn einige hundert Volt positiv an die Übertragungsspule angelegt werden, und 10 ist die bei mehreren Volt negativ angeklemmte Rück- EMK. Sobald dieses Feld zusammengebrochen ist, folgt Periode 8, während der kein Feld übertragen wird. Hier ist es das Einfachste, wenn dieselbe Energieversorgung von mehreren Volt negativ die Übertragungsspule während der Periode 6 mit Energie versorgt und während der Rück-EMK-Periode 10 Energie erhält, und wenn auch dieselbe Energieversorgung von einigen hundert Volt positiv die Übertragungsspule während der Periode 9 mit Energie versorgt und während der Rück-EMK-Periode 7 Energie erhält. Die Signale 11 und 12 zeigen eine typischen Boden-plus-Targetempfangsantwort.

Um einen magnetischen Fluss von Netto Null sicherzustellen, kann ein Kondensator in Serie mit der Übertragungsspule verbunden werden. Dies ist in Fig. 3 gezeigt, die ein Beispiel für ein Übertragungssignalgenerator ist, der die in Fig. 2 gezeigte Wellenform generieren kann. Hier ist ein DC-blocking Kondensator 23 in Serie mit der Übertragungsspule 20 mit der Erde 21 verbunden. Schalter 24, dargestellt als ein N-Kanal FET, ist zwischen einer negativen Spannungsversorgungsschiene 29 von mehreren Volt und Knoten 22 über eine serielle Diode 25 angeschlossen. Der Kondensator 23 ist an 22 angeschlossen. Schalter 26, dargestellt als ein P-Kanal FET, ist zwischen einer positiven Hochspannungsversorgungsschiene 28 von einigen hundert Volt und Knoten 22 über eine serielle Diode 27 angeschlossen. Eine Diode 30 ist zwischen 28 und 32 oder wie gezeigt 36 angeschlossen, wobei der Knoten 24 und 25 verbindet. Der Rück-EMK-Klemmstrom fließt durch diese Diode. Eine Diode 31 ist zwischen 29 und 22 oder dem 26 und 27 verbindenden Knoten angeschlossen. Der Rück- EMK-Klemmstrom, der aus Periode 10 in Fig. 2 resultiert, fließt durch diese Diode. 28 ist über Kondensator 32 an die Erde A/C-gekoppelt und 29 ist über Kondensator 33 an die Erde A/C-gekoppelt. Die in dem Übertragungstiming- Steuerungskreis 37 generierten Timingsignale werden den Gates der schaltenden FETs zugeführt. Es gibt viele verschiedene Variationen in den möglichen Sequenzen; z. B. kann der Basiszyklus aus zwei "6-7-8"-Pulssequenzen gefolgt von einer einzigen "9-10-8"-Pulssequenz bestehen.

Zur Zeit dieser Anmeldung liegt die "Niedrigspannungs"-Versorgung von "mehreren Volt" am besten zwischen 3 und 30 V und die "Hochspannungs"- Versorgung von "einigen hundert" Volt liegen am Nützlichsten zwischen 75 und 400 V.

Ferner zeigt die als Beispiele in dem US-Patent 5576624 offenbarte Vorrichtung die Übertragung von uni-polaren Pulsen von verschiedenen Perioden. Der relative Unterschied zwischen Signalen von magnetischen Erden und Metalltargets ist größer, wenn die relative Differenz in der Periode höher ist. Jedenfalls ist unter der Annahme, dass die Zeitkonstante des Übertragungsspulenkreises, das ist ihre Induktanz geteilt durch ihren Widerstand plus die Impedanz des elektronischen Übertragungsantriebskreises, merklich länger ist als die längere Übertragungsperiode, der Übertragungsspulen-Peakstrom ein wenig kleiner als Vt/L, wobei V die an die Übertragungsspule angelegte Spannung, t die Pulsperiode und L die Spuleninduktanz ist. Die Energie in der Übertragungsspule beim Aufhören des Übertragungsimpulses ist ein wenig kleiner als (Vt)2/(2L). Wenn also eine erste Spannung V für die längeren und die kürzeren Pulse die gleiche ist und das Verhältnis der Perioden zwischen den langen und den kurzen Pulsen n ist, dann ist das Verhältnis zwischen der Energie beim Aufhören der längeren und kürzeren Pulse näherungsweise n2.

Um daher für kurze und lange Pulse ungefähr dieselbe Gesamtenergie zu übertragen, werden näherungsweise n2 so viele kurze Pulse in einem Basiszyklus benötigt wie lange Pulse. Das bedeutet, dass das Verhältnis eines mit kurzen Pulsen verbundenen Basiszyklus n-mal länger ist für die kurzen Pulse als für die langen Pulse. Das bedeutet, dass die Gesamtperiode von einem Basiszyklus ziemlich lang sein muss, wenn n >> 1. Dies wird in einer niedrigen Grundfrequenz resultieren; ein nicht wünschenswertes Merkmal in Bezug auf Umgebungsempfindlichkeiten für Rauschen.

Eine Verbesserung liegt darin, eine zusätzliche Spannungsversorgung mit einer in der Größenordnung der Quadratwurzel von (n) höheren Spannung V1 als V zu generieren. Wenn V1 = mV, wobei m in der Größenordnung von SQRT(n) ist, und wenn dann beispielsweise ein langer Puls und p kurze Pulse in einem Basiszyklus sind, dann ist das Verhältnis der Gesamtenergie der kurzen Pulse verglichen mit den langen Pulsen gleich p(m/n)2. Wenn daher p(m/n)2 in der Größenordnung 1 liegt, dann kann die mit den kurzen Pulsen verbundene Zeit für dieselben relativ akkumulierten Target- und magnetischen Erdensignale für ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis vergleichbar zu den langen Pulsen sein.

Ein mono-polarer Schaltkreis, der in der Lage ist, drei verschiedene Spannungen zuzüglich null Volt an die Spule anzulegen, ist in Fig. 4 gezeigt. Die Übertragungsspule 40 ist an die Erde 39 angeschlossen und an eine dritte Spannungsversorgung 42 mittels eines Schalters 41 angeschaltet, der als ein N- Kanal FET gezeigt ist, der entweder direkt an die Übertragungsspule oder über Diode 43, wie gezeigt, oder Dioden oder passive Komponenten oder beides angeschlossen ist. Die Übertragungsspule 40 ist an eine vierte Spannungsversorgung 45 über einen als N-Kanal FET gezeigten Schalter 44 angeschaltet, der entweder direkt an die Übertragungsspule oder über Diode 46, wie gezeigt, oder Dioden oder passive Komponenten oder beides angeschlossen ist. Die Rück- EMK ist an die Versorgung 48 über Diode 47 angeklemmt, die zwischen 48 und dem 40, 43 und 46 verbindenden Knoten 54 verbunden sein kann oder zwischen 48 und dem 41 und 43 verbindenden Knoten, oder zwischen 48 und dem 46 und 44 verbindenden Knoten. Signale von dem Übertragungstiming- Steuerungserzeugungskreis 53 steuern die Schalter 41 und 44.

Angenommen es gibt in einem Übertragungszyklus wie in Fig. 5 gezeigt drei kurze Pulse und einen langen Puls. Hier ist ein Schalter, bspw. 41, angeschaltet und schaltet die Übertragungsspule an die als 61 in Fig. 5 gezeigte Versorgung 42, die um den Spannungsabfall über Diode 43 plus Schalter 41 geringer sein kann. Während der als 61 gezeigten Periode wächst der Übertragungsspulenstrom. Wenn Schalter 41 ausgeschaltet wird, wird die resultierende Rück- EMKan die Spannung an 48 angeklemmt, zuzüglich dem Spannungsabfall über die Dioden 43 und 47, wie in Periode 62 in Fig. 5 gezeigt. Sobald der Spulenstrom aufgehört hat, sinkt die Spannung über die Übertragungsspule auf Null ab. (Dies nimmt der übliche Dämpfungskreis an.) Nach einer in Fig. 5 gezeigten Periode 60 wird der andere Schalter 44 angeschaltet und schaltet die Übertragungsspule an Versorgung 45, wie als 63 in Fig. 5 gezeigt, die um den Spannungsabfall über Diode 46 plus Schalter 44. Während der als 63 gezeigten Periode wächst der Übertragungsspulenstrom auf ungefähr auf die Quadratwurzel des Peakübertragungsstromes am Ende von Periode 61. An diesem Punkt wird Schalter 44 ausgeschaltet und die resultierende Rück-EMK ist an die Spannung von 48 angeklemmt, zuzüglich dem Spannungsabfall über die Dioden 43 und 47. Dies ist als Periode 69 in Fig. 5 gezeigt. Sobald der Spulenstrom aufgehört hat, fällt die Spannung über die Übertragungsspule auf null Volt ab. Nach einer Periode 64, wie in Fig. 5 gezeigt, wird diese Kurzpulssequenz wie gezeigt zweimal wiederholt. 65 deutet das Zerfallssignal von einer Metall und Boden enthaltenden Umgebung an, das dem langen Übertragungspuls und 66 folgt, das jedem kurzen Puls folgt. Beachte, dass die mittlere Energie des langen Pulses ähnlich ist zu der der kurzen Pulse in derselben Sequenz und, wie gezeigt, dass die mit der Übertragung und dem empfangenen Signal des langen Pulses verbundene Gesamtperiode vergleichbar ist zu der der kurzen Pulse.

Die oben beschriebenen Effekte können alle in einen bi-polaren Pulsinduktionsmetalldetektor eingeschlossen werden. Fig. 6 zeigt ein Beispiel einer Übertragungssignal-Spannungswellenform, die eine lange Periode 151 niedriger Spannung einer ersten Polarität beinhaltet, während der der Strom in einer ersten Richtung ein daraus übertragenes magnetisches Feld verstärkt. Eine sehr kurz dauernde Rück-EMK-Periode 152 einer zweiten Polarität bei hoher Spannung folgt 151, während welcher Periode der während 151 aufgebaute Übertragungsstrom auf Null abfällt. Eine Nicht-Übertragungs- und Empfangsperiode 123 von vergleichbarer Dauer zu 151 folgt 152. Dem folgt eine sehr kurze Hochspannungsperiode 154 einer zweiten Polarität, während der der Strom in einer zweiten Richtung ein daraus übertragenes magnetisches Feld verstärkt. Dem folgt eine lang dauernde Rück-EMK Periode 155 einer ersten Polarität bei einer niedrigen Spannung, während welcher Periode der während 154 aufgebaute Übertragungsstrom auf Null abfällt. Eine Nicht-Übertragungs- und Empfangsperiode 156 von vergleichbarer Dauer zu 155 folgt auf 155.

Soweit ist die Sequenz die gleiche wie die von einem Zyklus aus Fig. 2. Dem folgt eine kurze Niedrigspannungsperiode 157 einer ersten Polarität, während der der Strom in eine Richtung ein daraus übertragenes magnetisches Feld vergrößert. Dem folgt eine sehr kurze Rück-EMK-Periode 158 einer zweiten Polarität bei einer hohen Spannung, während welcher Periode der während 157 aufgebaute Übertragungsstrom auf Null abfällt. Eine Nicht-Übertragungs- und Empfangsperiode 150 von längerer Dauer als 157 folgt 158. Die während 157 an die Übertragungsspule angelegte Spannung ist wesentlich größer als die während 151 angelegte. Die "157-158-150"-Sequenz ist ähnlich zu der "63-69-64"-Sequenz von Fig. 5. Typische Empfangssignale sind als 160 während Periode 153, 161 während Periode 156 und 162 während Periode 150 gezeigt. Jede dieser Perioden resultiert in einer typischen Targetsignal zu magnetischem Erdensignal-Verhältnis und unterstützt so die Unterscheidung zwischen den beiden.

Fig. 7 zeigt ein Beispiel eines Übertragungsspannung generierenden Kreises, der in der Lage ist, die in Fig. 6 gezeigte Wellenform zu übertragen. Dies ist im Wesentlichen eine Kombination von in den Fig. 3 und 4 vorhandenen Elementen. Eine Übertragungsspule 80 ist an die Erde 81 angeschlossen. Ein als N-Kanal FET gezeigter Schalter 87 ist zwischen einer negativen Spannungsversorungsschiene 89 von mehreren Volt und Knoten 82 über eine serielle Diode 88 verbunden, wobei 82 der Knoten an dem Nicht-Erde-Ende von 80 ist. Ein als N-Kanal FET gezeigter Schalter 84 ist zwischen einer negativen Spannungsversorgungsschiene 86 von mehreren Volt und Knoten 82 über eine serielle Diode 82 angeschlossen. Ein als P-Kanal FET gezeigter Schalter 92 ist zwischen einer positiven Hochspannungsversorgungsschiene 91 von einigen hundert Volt und Knoten 82 über eine serielle Diode 93 angeschlossen. Eine Diode 90 ist zwischen 91 und 82 oder, wie gezeigt, dem 88 und 87 verbindenden Knoten angeschlossen. Der Rück-EMK-Klemmstrom, der aufgebaut wird, wenn 87 und 84 geschlossen und dann geöffnet werden, fließt durch diese Diode. Eine Diode 94 ist zwischen 86 und 82 oder, wie gezeigt, dem 92 und 93 verbindenden Knoten angeschlossen. Der Rück-EMK-Klemmstrom, der aufgebaut wird, wenn 92 geschlossen und dann geöffnet wird, fließt durch diese Diode. 89 ist über einen Kondensator 96 an die Erde A/C-angekoppelt, 86 ist über den Kondensator 97 an die Erde A/C-angekoppelt und 91 ist über den Kondensator 98 an die Erde A/C-angekoppelt. In dem Übertragungstiming- Steuerungskreis 95 generierte Timingsignale werden an die Gates der schaltenden FETs angelegt. Dabei gibt es viele mögliche Variationen in den möglichen Sequenzen; z. B. kann der Basiszyklus aus zwei "157-158-150"-Pulssequenzen bestehen, dem eine einzige "151-152-153-154-155-156"-Pulssequenz folgt. Hier sind "Niedrigspannungs"-Versorgungen von "einigen Volt" am nützlichsten, wenn sie zwischen 3 und 30 V liegen, und "Hochspannungs"-Versorgungen von "einigen hundert Volt" am nützlichsten, wenn sie zwischen 75 und 400 V liegen. Die während Periode 157 gezeigte Spannung sollte wenigstens das doppelte der während Periode 151 gezeigten Spannung sein, um praktisch wirksam zu sein.

Die Langpuls- und Mittelpulsperiode können tatsächlich erzeugt werden, indem nur eine anstelle von zwei Versorgungsspannungen verwendet wird, wie in Fig. 6 gezeigt, aber mit vergleichbaren Längen und Peakübertragungs- Spulenströmen. Dies kann erreicht werden durch Verwendung der höheren Niedrigversorgungsspannungen und Umschalten der Spulen zwischen der höheren Niedrigversorgungsspannung und Null, oder wenigstens einem Durchlassdiodenspannungsabfall weg von Null Volt, so dass das Stromanwachsen im Trend vergleichbar ist zu dem, das erhalten wird, wenn die niedrigere Niedrigspannung kontinuierlich über diese Periode angelegt wird.

Dies ist in Fig. 8 gezeigt, in der die 100-101-102-103 eine an die Übertragungsspule angelegte Spannungswellenform und 104-105-106-107 der durch die Übertragungsspule fließende resultierende Strom ist.

Wenn 42 in Fig. 4 auf dem Erdpotential (Null Volt) und 45 auf der höheren Niedrigspannung lag, dann wurde während Perioden der Rück-EMK, wenn Schalter 41 an war, die Rück-EMK an den Durchlassspannungsabfall von Diode 43 über null Volt angeklemmt unter der Annahme, dass der Spannungsabfall über Schalter FET 41 vernachlässigbar ist, wenn dieser angeschaltet ist. Wenn 41 während der Rück-EMK ausgeschaltet wird, dann wird die Rück-EMK wie gewöhnlich an die Hochspannung 48 angeklemmt. Periode 100 ist eine Nicht- Übertragungsperiode mit Null Stromfluss 104. Während Periode 101 wird die niedrigere Niedrigspannungs-EMK an die Übertragungsspule angelegt und der Strom wächst wie durch Stromwellenform 105 gezeigt. Während Periode 102 wird der Schalter, durch den die Spannung während 101 an die Übertragungsspule angelegt wird, ausgeschaltet und die Rück-EMK an eine Hochspannung angeklemmt. Der während der 101 aufgebaute Strom fällt während Periode 102 wie durch 106 gezeigt auf Null, gefolgt von einer Nicht-Stromperiode 107, in deren Stufe die Rück-EMK kollabiert. Sie bleibt Null während der Nicht- Übertragungsperiode 103.

Ein 105 annäherndes Stromprofil kann durch Schalten der Übertragungsspule zwischen der höheren Niedrigspannung und Null erzeugt werden. Die Spannungswellenform ist als eine Pulssequenz 109-110 gezeigt. Die Stromwellenform ist als eine Sequenz 114-115 gezeigt, die sich zu einer Amplitude in einem "Sägezahn-Muster" aufbaut, bis ein ähnlicher Strom erreicht ist zu dem, der am Ende der Periode 101 erzeugt ist, wie beim Peakstrom am Ende von 105 gezeigt. Während dieser Periode bleibt der Schalter 41 auf "an" und 42 ist auf Null Volt. An diesem Punkt wird der Nullspannungs-Klemm-FET 41 ausgeschaltet und bis zum nächsten Ausschalten des Schalters, der die Übertragungsspule an die höhere Niedrigspannung 45 anschließt, ist die Rück-EMK dann an die Hochspannung über die Dioden 47 und 43 angeklemmt. Wenn die Periode der Sequenz 109-110 ausgewählt wird, um ähnlich zu der von 101 sein, und der Duty-Cycle ausgewählt wird, so dass die Peakströme 105 und 114-115 ähnlich sind, dann ist das Signal von der Umgebung, das der finalen Hochspannungs- Rück-EMK folgt, ähnlich. Daher können ähnliche Ergebnisse entweder durch Benutzung eines Übertragungssignals 101-102, wie in Fig. 8 gezeigt, oder der 109-110-111-Sequenz erreicht werden.

Der Zweck dieser Beschreibung lag darin, die Erfindung darzustellen und nicht zu limitieren.


Anspruch[de]
  1. 1. Metalldetektorvorrichtung mit einer Übertragungsspule, die geeignet ist beim Betrieb mit durch die Übertragungsspule fließendem elektrischem Strom ein magnetisches Feld zu übertragen, einem Übertragungstiming-Steuerkreis und einem Empfangssignalkreis und einem Empfangssignal-Verarbeitungskreis;

    und mit wenigstens zwei Energieversorgungen, einer ersten und einer zweiten Energieversorgung,

    wobei eine zum Bereitstellen einer Niedrigspannung beim Betrieb zwischen 3 und 30 V angepasst ist,

    die andere zum Bereitstellen einer Hochspannung beim Betrieb zwischen 75 und 400 Volt angepasst ist,

    mit einem ersten Schalter, der angepasst ist, die Spule mit der ersten Energieversorgung zu verbinden, ggf. über eine Diode oder Dioden oder passive Komponenten oder beides,

    mit einem zweiten Schalter, der angepasst ist, die Spule mit der zweiten Energieversorgung zu verbinden, ggf. über eine Diode oder Dioden oder passive Komponenten oder beides,

    mit einer dritten Diode oder einem dritten Schalter, der angepasst ist, die Übertragungsspulenspannung an die zweite Energieversorgung anzuklemmen, wenn von einer Rück-EMK von der Spule resultierender Strom in eine bestimmte Richtung fließt,

    mit einer vierten Diode oder einem vierten Schalter, der angepasst ist, die Übertragungsspulenspannung an die erste Energieversorgung anzuklemmen, wenn von einer Rück-EMK von der Spule resultierender Strom in eine andere bestimmte Richtung fließt,

    mit einer in dem Übertragungstiming-Steuerungskreis generierten Timingsequenz, die angepasst ist, Steuerungssignale für die Schalter zu erzeugen,

    und mit der Timingsequenz, die angepasst ist, die Schalter so zu steuern, dass Perioden existieren, in denen kein Strom durch die Übertragungsspule fließt.
  2. 2. Metalldetektorvorrichtung mit einer Übertragungsspule, die angepasst ist, beim Betrieb mit durch die Übertragungsspule fließendem elektrischem Strom ein magnetisches Feld zu übertragen, einem Übertragungstiming- Steuerungskreis und wenigstens zwei Energieversorgungen, einer dritten und einer vierten Energieversorgung, wobei die Spannung der einen Versorgung während des Betriebs verschieden ist von der der anderen, und einem Empfangssignalkreis und einem Empfangssignal-Verarbeitungskreis;

    und mit wenigstens zwei Schaltern,

    mit einem fünften Schalter, der angepasst ist, die Spule mit der dritten Energieversorgung zu verbinden, ggf. über eine Diode oder Dioden oder passive Komponenten oder beides,

    mit einem sechsten Schalter, der angepasst ist, die Spule mit der vierten Energieversorgung zu verbinden, ggf. über eine Diode oder Dioden oder passive Komponenten oder beides,

    mit einer siebten Diode oder einem siebten Schalter, der geeignet ist, die Übertragungsspulenspannung an eine fünfte Spannungsversorgung anzuklemmen, wenn von der Rück-EMK von der Spule resultierender Strom fließt,

    mit der in dem Übertragungstiming-Steuerungskreis generierten Timingsequenz, die angepasst ist, Steuerungssignale für die Schalter zu erzeugen, wobei wenigstens zwei verschiedene Übertragungsperioden, eine kurze und eine lange Periode, vorhanden sind,

    und mit der Timingsequenz, die ausgewählt ist, die Schalter so zu steuern, dass Perioden vorhanden sind, in denen kein Strom durch die Übertragungsspulen fließt,

    und wobei die Timingsequenz ausgewählt ist, die Schalter so zu steuern, dass die gesamte Übertragungsspulenenergie am Ende der langen Perioden ähnlich ist zu der totalen Übertragungsspulenenergie am Ende der kurzen Perioden,

    und wobei die Timingsequenz ausgewählt ist, die Schalter so zu steuern, dass der lange Puls wenigstens drei mal die Länge des kurzen Pulses hat,

    und mit der EMK der dritten Energieversorgung, die wenigstens die doppelte der vierten Energieversorgung ist.
  3. 3. Metalldetektorvorrichtung mit einer Übertragungsspule, die angepasst ist, beim Betrieb mit durch die Übertragungsspule fließendem elektrischem Strom ein magnetisches Feld zu übertragen, einem Übertragungstiming- Steuerungskreis und wenigstens einer Energieversorgung, einer sechsten Energieversorgung, und mit einem Empfangssignalkreis und mit einem Empfangssignal-Verarbeitungskreis;

    und mit wenigstens zwei Schaltern,

    mit einem achten Schalter, der angepasst ist, die Spule mit der sechsten Energieversorgung zu verbinden, ggf. über eine Diode oder Dioden oder passive Komponenten oder beides,

    und mit einem neunten Schalter, der angepasst ist, die Spule mit 0 V oder dem Erdpotential zu verbinden, ggf. über eine Diode oder Dioden oder passive Komponenten oder beides,

    einer zehnten Diode oder einem zehnten Schalter, der angepasst ist, die Übertragungsspulenspannung an eine sechste Spannungsversorgung anzuklemmen, wenn von der EMK von der Spule resultierender Strom fließt,

    und mit der in dem Übertragungstiming-Steuerungskreis erzeugten Timingsequenz, die angepasst ist, Steuerungssignale für die Schalter zu erzeugen, wobei wenigstens zwei verschiedene Übertragungsperioden, eine kurze und eine lange, vorhanden sind,

    wobei während der langen Periode der achte an- und ausgepulst wird und der neunte Schalter wenigstens während der Perioden, in denen der achte Schalter ausgeschaltet wird, angeschaltet wird,

    und mit der Timingsequenz, die ausgewählt ist, die Schalter so zu steuern, dass Perioden vorhanden sind, in denen kein Strom durch die Übertragungsspule fließt,

    und mit der Timingsequenz, die ausgewählt ist, die Schalter so zu steuern, dass die gesamte Übertragungsspulenenergie beim Beenden der langen Perioden ähnlich ist zu der gesamten Übertragungsspulenenergie beim Beenden der kurzen Perioden,

    und mit der Timingsequenz, die ausgewählt ist, die Schalter so zu steuern, dass der lange Puls wenigstens dreimal die Dauer des kurzen Pulses hat.
  4. 4. Metalldetektorvorrichtung mit einer Übertragungsspule, die angepasst ist, beim Betrieb mit durch die Übertragungsspule fließendem elektrischem Strom ein magnetisches Feld zu übertragen, einem Übertragungstiming- Steuerungskreis und einem Empfangssignalkreis und einem Empfangssignal- Verarbeitungskreis;

    und wenigstens zwei Energieversorgungen, einer siebten und einer achten Energieversorgung,

    wobei die Spannung der einen Versorgung beim Betrieb verschieden ist von der der anderen,

    mit einem zehnten Schalter, der angepasst ist, die Spule mit der siebten Energieversorgung zu verbinden, ggf. über eine Diode oder Dioden oder passive Komponenten oder beides,

    mit einem elften Schalter, der angepasst ist, die Spule mit der achten Energieversorgung zu verbinden, ggf. über eine Diode oder Dioden oder passive Komponenten oder beides,

    mit einer zwölften Diode oder einem zwölften Schalter, der angepasst ist, die Übertragungsspulenspannung an die achte Energieversorgung anzuklemmen, wenn von der Rück-EMK von der Spule resultierender Strom in eine bestimmte Richtung fließt,

    mit einer dreizehnten Diode oder einem dreizehnten Schalter, der angepasst ist, die Übertragungsspulenspannung an die siebte Energieversorgung anzuklemmen, wenn von der Rück-EMK von der Spule resultierender Strom in eine andere bestimmte Richtung fließt,

    mit der in dem Übertragungssignal-Steuerungskreis erzeugten Timingsequenz, die angepasst ist, Steuerungssignale für die Schalter zu erzeugen, wobei wenigstens zwei verschiedene Übertragungsperioden, eine kurze und eine lange Periode, vorhanden sind,

    und mit der Timingsequenz, die angepasst ist, die Schalter so zu steuern, dass Perioden vorhanden sind, in denen kein Strom durch die Übertragungsspule fließt,

    und mit der Timingsequenz, die ausgewählt ist, die Schalter so zu steuern, dass die gesamte Übertragungsspulenenergie beim Beenden der langen Perioden ähnlich ist zu der gesamten Übertragungsspulenenergie beim Beenden der kurzen Perioden,

    und mit der Timingsequenz, die ausgewählt ist, die Schalter so zu steuern, dass der lange Puls wenigstens dreimal die Dauer des kurzen Pulses hat,

    und mit der EMK der siebten Energieversorgung, die wenigstens die doppelte der achten Energieversorgung ist.
  5. 5. Metalldetektorvorrichtung nach Anspruch 4, wobei die achte Energieversorgung durch eine direkte Verbindung an das Erdpotential ersetzt ist, und

    die in dem Übertragungstiming-Steuerungskreis erzeugte Timingsequenz angepasst ist, Steuerungssignale für die Schalter zu erzeugen, wobei wenigstens zwei verschiedene Übertragungsperioden, eine kurze und eine lange Periode, vorhanden sind,

    wobei während der langen Periode der zehnte an- und ausgepulst wird, und der elfte Schalter wenigstens während der Perioden, in denen der zehnte Schalter ausgeschaltet ist, angeschaltet ist.
  6. 6. Metalldetektorvorrichtung nach Anspruch 2, wobei

    die vierte Energieversorgung durch eine direkte Verbindung an das Erdpotential ersetzt ist, und

    die von dem Übertragungstiming-Steuerungskreis erzeugte Timingsequenz angepasst ist, Steuerungssignale für die Schalter zu erzeugen, wobei wenigstens zwei verschiedene Übertragungsperioden, eine kurze und eine lange Periode, vorgesehen sind,

    wobei während der langen Periode die sechste an- und ausgepulst wird, und der siebte Schalter wenigstens während der Perioden, in denen der sechste Schalter ausgeschaltet ist, angeschaltet ist.






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