Title:
Vorrichtung und Verfahren zur Energierückgewinnung bei einer Pulsinduktion
Kind Code:
A1
Abstract:

Die Erfindung betrifft eine Pulsinduktions-Vorrichtung, insbesondere zur Ortung von metallischen Gegenständen, umfassend:
– einen ersten Kondensator, der mit einer Hochspannungsquelle verbunden ist,
– einen zweiten Kondensator,
– einen ersten Schalter, über den der erste und der zweite Kondensator so miteinander verbindbar sind, dass der zweite Kondensator mit der Ladungsenergie des ersten Kondensators aufgeladen wird,
– eine Spule, die so verschaltet ist, dass sie mit einer Ladungsenergie des zweiten Kondensators beaufschlagbar ist, insbesondere indem sie mit dem zweiten Kondensator in Reihe geschaltet ist, und
– eine Diode, über die ein Entladestrom der Spule dem ersten Kondensator zuführbar ist.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Pulsinduktions-Verfahren.



Inventors:
Kuban, Mario (07545, Gera, DE)
Müller, Ingolf (04617, Fockendorf, DE)
Krauß, Andreas (04617, Fockendorf, DE)
Application Number:
DE102013018046A
Publication Date:
05/07/2015
Filing Date:
11/27/2013
Assignee:
OKM GmbH, 04600 (DE)
International Classes:
Foreign References:
EP10243752000-08-02
KR20120121828A2012-11-06
Attorney, Agent or Firm:
Meissner, Bolte & Partner GbR, 07545, Gera, DE
Claims:
1. Pulsinduktions-Vorrichtung, insbesondere zur Ortung von metallischen Gegenständen, umfassend:
– einen ersten Kondensator (C1), der mit einer Hochspannungsquelle (UH) verbunden ist,
– einen zweiten Kondensator (C2),
– einen ersten Schalter (T1), über den der erste und der zweite Kondensator (C1, C2) so miteinander verbindbar sind, dass der zweite Kondensator (C2) mit der Ladungsenergie des ersten Kondensators (C1) aufgeladen wird,
– eine Spule (L1), die so verschaltet ist, dass sie mit einer Ladungsenergie des zweiten Kondensators (C2) beaufschlagbar ist, insbesondere indem sie mit dem zweiten Kondensator (C2) in Reihe geschaltet ist,
– eine Diode (D1), über die ein Entladestrom der Spule (L1) dem ersten Kondensator (C1) zuführbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen zweiten Schalter (T2), der so verschaltet ist, dass er eine Bestromung der Spule (L1) mit der Ladungsenergie des zweiten Kondensators (C2) auslösen kann.

3. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Schwingungsunterdrückung, die dazu ausgebildet ist, die Spule (L1) zu entladen, wobei zur Schwingungsunterdrückung eine Reihenschaltung eines Widerstands (RE) und eines dritten Schalters (T3) vorgesehen und diese der Spule (L1) parallel geschalten ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter (T1, T2, T3) elektronische Schalter, insbesondere Transistoren, vorzugsweise Feldeffekt-Transistoren, sind.

5. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Teil eines Batterie- oder Akku-betriebenen Metalldetektors ist.

6. Pulsinduktions-Verfahren mit den Schritten:
– Aufladen eines ersten Kondensators (C1), insbesondere mit einer Spannung größer 100 V,
– Aufladen eines zweiten Kondensators (C2), welcher mit einer Induktionsspule (L1) in Reihe liegt,
– Bestromen der Spule (L1) mit einem Entladestrom des zweiten Kondensators (C2) und
– Entladen der Spule (L1), wobei der Entladestrom mindestens teilweise dem ersten Kondensator (C1) zugeführt wird, sowie
vorzugsweise periodisches Wiederholen der vorgenannten Schritte.

7. Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen weiteren Schritt der Schwingungsunterdrückung der Spule (L1) über einen Widerstand (RE), der als Dämpfungswiderstand ausgebildet ist.

Description:

Die Erfindung betrifft eine Pulsinduktions-Vorrichtung, insbesondere zur Ortung von metallischen Gegenständen. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Pulsinduktions-Verfahren.

Pulsinduktions-Vorrichtungen können als Metalldetektoren zur Lokalisierung von verborgenen Metallteilen, Rohrleitungen und elektrischen Leitern verwendet werden. Pulsinduktions-Vorrichtungen bauen dabei mittels eines Stromes durch eine Spule ein Magnetfeld auf, entladen dieses Feld schnell wieder und messen mittels der gleichen oder einer anderen Spule das Nachklingen des Magnetfeldes von Suchobjekten. Eine Erhöhung des maximalen Ladestromes (identisch mit dem maximalen Entladestrom) beziehungsweise des damit verbundenen Magnetfeldes führt zu einer erhöhten Ortungsreichweite solcher Geräte. Der maximale Strom wird bei bisherigen Geräten aber bislang durch mehrere Faktoren stark limitiert.

1 zeigt den Schaltplan einer Pulsinduktions-Vorrichtung, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist. Derartige Vorrichtungen laden eine Spule L1 mittels Niederspannung UN mit wenigen Volt bis hin zu einigen Dutzend Volt auf. Der maximale Ladestrom wird dabei durch den ohmschen Widerstand der Spule Ri und des Anschlusskabels begrenzt.

Bauartbedingt (minimale Windungszahl und Durchmesser der Spule, maximaler Draht/Kabeldurchmesser) liegen die Werte dieses Widerstandes bei mindestens einigen hundert Milliohm bis einige Ohm und limitieren damit bei Niederspannung den Ladestrom auf wenige Ampere.

Diese ohmschen Widerstände führen mit Ansteigen des Ladestromes zu zunehmenden Energieverlusten im Bereich einiger bis weniger Dutzend Watt.

Das Entladen der Spule erfolgt bei bisherigen Geräten vollständig über einen parallel zur Spule geschalteten Widerstand Re. Der Entladewiderstand muss zur Vermeidung von Schwingungen auf die Eigenresonanz der Spule abgestimmt sein und liegt damit im Bereich um mehrere hundert Ohm. Da die maximale Sperrspannung (bis ca. 1 kV) des zur Ladung verwendeten Schalttransistors T1 nicht überschritten werden darf, limitiert das zusammen mit diesem Widerstand Re den maximalen (Lade/Entlade-)Strom auf wenige Ampere.

Die Entladung beginnt bei sehr hohen Spannungen im Bereich von hundert bis tausend Volt. Die bei der Entladung anfallende Energie (mehrere Watt) wird dabei vollständig in Wärme umgesetzt und steht nicht mehr zur weiteren Verwendung zur Verfügung.

Schon bei wenigen Ampere-Strom für die Spule fallen bei der Ladung und Entladung Verlustleistungen um mehrere Watt bis zu ca. ein dutzend Watt an, die durch mitgeführte Energielieferanten (Primärzellen oder Akkus) bereitgestellt werden müssen. Eine massive Erhöhung des Ladestromes würde bei bisheriger Schaltungstechnik kostenintensive Energielieferanten erfordern und Verlustleistungen bis in dreistellige Wattbereiche nach sich ziehen.

Die EP 1 024 375 A2 betrifft einen Metalldetektor mit Suchkopf, wobei im Suchkopf ein Umwandlungselement zur Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie vorgesehen ist, um so vom Batteriebetrieb unabhängig zu sein.

Die KR 2012 012 1828 A zeigt ein Schnellladegerät für Batterien, wobei eine Energie-Rückgewinnungs-Funktion vorgesehen ist.

Gegenüber diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine Pulsinduktions-Vorrichtung bereitzustellen, bei der einige oder alle der oben genannten Probleme nicht auftreten, insbesondere die genannten Energie-Verluste vermieden werden.

Die Erfindung wird gelöst durch eine Pulsinduktions-Vorrichtung nach Anspruch 1 und ein Pulsinduktions-Verfahren nach Anspruch 6.

Bei einer erfindungsgemäßen Pulsinduktions-Vorrichtung ist demnach vorgesehen, dass diese umfasst:

  • – einen ersten Kondensator, der mit einer Hochspannungsquelle verbunden ist,
  • – einen zweiten Kondensator,
  • – einen ersten Schalter, über den der erste und der zweite Kondensator so miteinander verbindbar sind, dass der zweite Kondensator mit der Ladung des ersten Kondensators aufgeladen wird,
  • – eine Spule, die so verschaltet ist, dass sie mit einer Ladung des zweiten Kondensators aufgeladen werden kann, insbesondere indem sie mit dem zweiten Kondensator in Reihe geschaltet ist,
  • – eine Diode, über die ein Entladestrom der Spule dem ersten Kondensator zuführbar ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Pulsinduktions-Verfahren ist vorgesehen, dass die folgenden Schritte durchgeführt werden:

  • – Aufladen eines ersten Kondensators, insbesondere mit einer Spannung größer 100 V,
  • – Aufladen eines zweiten Kondensators, zumindest teilweise mit der Ladung des ersten Kondensators,
  • – Aufladen einer Spule mit einem Kondensator-Entladestrom und
  • – Entladen der Spule, wobei der diesbezügliche Entladestrom dem ersten Kondensator zugeführt wird,
wobei die Schritte vorzugsweise periodisch ausgeführt werden.

Mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. einem erfindungsgemäßen Verfahren können die folgenden Vorteile erzielt werden:

  • – Die Ladespannung der Spule wird erheblich (z. B. auf mehrere hundert Volt) erhöht.
  • – Bei gleichbleibenden ohmschen Widerständen werden erheblich größere Spulenströme möglich.
  • – Es gibt eine geringere Verlustleistung, denn die Begrenzung des Stromes durch die ohmschen Widerstände kann auf eine Begrenzung des Stromes durch Ladezeit im Verhältnis zur Induktivität der Spule (Anstiegsgeschwindigkeit des Stromes) umgestellt werden, womit der Anteil der ohmschen Verluste beim Laden erheblich abgesenkt wird.
  • – Die Aufladung erfolgt wesentlich schneller, was die ungewollten zeitabhängigen Verluste (Leistung·Zeit) bei der Aufladung der Spule im gleichen Maße verringert.
  • – Die Entladeenergie wird auf einen Kondensator zurückgeführt und gespeichert. Der größte Teil der Entladungsenergie steht damit wieder für den nächsten Ladevorgang zur Verfügung.

Der eingesetzte Rücklade-Kondensator kann in der Kapazität so groß ausgelegt werden, dass durch diesen auch sehr hohe Entladeströme aufgenommen werden können, ohne dass bei der Rückladung die Kondensatorspannung U1 die Sperrspannung der Schalter überschreitet.

Bei dem verwendeten Induktions-Puls kann es sich um einen Rechteck-Puls handeln. Es versteht sich aber, dass der Begriff „Puls” nicht als Einschränkung auf eine bestimmte Signalform zu verstehen ist und auch beliebige andere Signalformen umfassen kann.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Vorrichtung einen zweiten Schalter aufweist, der so verschaltet ist, dass er eine Aufladung der Spule mit der Ladung des zweiten Kondensators auslösen kann, insbesondere indem ein Anschluss des zweiten Kondensators mit der Spule verbunden ist und der zweite Anschluss des Kondensators durch den zweiten Schalter mit Masse verbindbar ist, wobei diesbezüglich ein Spulenanschluss ebenfalls auf Masse liegt.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Vorrichtung eine Restentladevorrichtung aufweist, die dazu ausgebildet ist, die Spule am Ende des Entladevorgangs zu bedämpfen, um Nachschwingungen der Spule zu unterdrücken, wobei die Restentladevorrichtung insbesondere einen Widerstand und einen dritten Schalter aufweist, wobei vorzugsweise ein Anschluss der Restentladevorrichtung auf Masse gelegt ist und ein anderer Anschluss der Restentladevorrichtung mit der Spule verbunden ist.

Der Widerstand der Restentladungsvorrichtung führt zwar zu einer geringen Verlustleistung, diese Verluste sind durch die nur noch kurzzeitige Zuschaltung des Dämpfungswiderstands am Ende des Entladevorgangs vernachlässigbar. Dieser Widerstand dient nicht mehr zum Abbau des Pulsinduktionsfeldes der Spule durch Umsetzung dieser Energie in Wärme, wie beim Stand der Technik, sondern nur noch zur Unterdrückung von Nachschwingungen.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schalter elektronische Schalter, insbesondere Transistoren, vorzugsweise Feldeffekt-Transistoren, sind.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Pulsinduktions-Vorrichtung Teil eines Batterie- oder Akku-betriebenen Metalldetektors ist. Da erfindungsgemäß eine Rückgewinnung der Puls-Energie erfolgt, ist der Stromverbrauch einer erfindungsgemäßen Pulsinduktions-Vorrichtung deutlich geringer als beim Stand der Technik. Somit ist die erfindungsgemäße Pulsinduktions-Vorrichtung besonders für Batterie- oder Akku-Betrieb geeignet.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Verfahren einen Schritt der Bedämpfung der Spule über einen Widerstand aufweist, wobei beim Bedämpfen der Spule kaum noch Entladungsenergie der Spule in Wärme umgesetzt wird. Wie oben bereits ausgeführt, führt diese Restentladung über einen Widerstand zu einer Bedämpfung bei nur geringem Energieverlust.

2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Pulsinduktions-Vorrichtung.

Ein Wandler W ist dazu ausgebildet, eine eingangsseitige Niederspannung UN in eine Hochspannung UH umzuwandeln. An den Wandler W ist ein erster Kondensator C1 angeschlossen. Der zweite Anschluss des Kondensators C1 ist auf Masse gelegt. Im Betrieb wird der erste Kondensator C1 auf eine hohe Spannung, z. B. mehrere hundert Volt, aufgeladen.

An den Wandler W ist weiterhin eine Diode D1 mit ihrer Kathode angeschlossen. Ein erster Schalter T1 verbindet im durchgeschalteten Zustand den Wandler mit einem zweiten Kondensator C2. Der zweite Kondensator bildet dabei mit der Spule L1 und deren Innenwiderstand RI eine Reihenschaltung.

Über einen zweiten Schalter T2 kann der zweite Kondensator C2 mit Masse verbunden werden. Erster und zweiter Schalter T1, T2 sind dabei nie gleichzeitig durchgeschaltet.

Zur Spule L1 und dem Widerstand RI ist eine Entladevorrichtung parallel geschaltet. Die Entladevorrichtung besteht im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus einem Entladewiderstand RE und einem dritten Schalter T3. In anderen Ausgestaltungen der Erfindung können hier weitere Bauteile vorgesehen sein.

Bei Verwendung der in 2 gezeigten Schaltung läuft das Pulsinduktions-Verfahren dabei wie folgt ab:
Mittels eines Spannungswandlers wird zunächst ein Kondensator C1 mit einer sehr hohen Spannung U1 (z. B. mehrere hundert Volt) aufgeladen.

Danach wird mittels Schließen des Transistors T1 der Kondensator C2 über die Spule L1 auf dieselbe Spannung nachgeladen. Der Nachladestrom ist im laufenden Betrieb relativ klein, womit auch die ohmschen Verluste in diesem Kreis (Ri – Spule, Transistor ...) gering bleiben.

Im Anschluss erfolgt die Aufladung der Spule von dem Kondensator C2 über Schließen des Transistors T2. Erst in diesem Zweig wird jetzt der sehr hohe Aufladestrom der Spule zur Erzeugung eines starken Magnetfeldes erreicht.

Wenn der Transistor T2 bei Beendigung der Aufladephase abgeschaltet wird, fließt der (Entlade-)Strom der Spule über D1 zurück in den Kondensator C1 und steht dort für den nächsten Zyklus wieder zur Verfügung.

Die Restentladung der Spule erfolgt über einen erst zum Schluss der Entladephase über T3 zugeschalteten Parallelwiderstand Re. Dieser Widerstand dient dann zur Schwingungsdämpfung. Der Anteil an der Entladeenergie/Umsetzung in nicht wieder verwendbare Wärme (Verlustleistung) ist nahe Null im Vergleich von bis zu 100% wie im Stand der Technik.

In den 1 und 2 ist die Ansteuerung der Transistoren T1 bis T3 nicht dargestellt. Es versteht sich, dass diese durch eine geeignete Schaltung erfolgt, z. B. über weitere Transistoren oder einen programmieren Chip mit internem Taktgeber.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Patentliteratur

  • EP 1024375 A2 [0009]
  • KR 20120121828 A [0010]