Metalldetektor

Ein Metalldetektor (auch Metallsuchgerät oder Metallsonde genannt) ist ein Gerät zur Lokalisierung verborgener Metallteile, Rohrleitungen und elektrischer Leiter an Land sowie unter Wasser.

Geschichte und Entwicklung

Ab 1870 begann man, Geräte zur Lokalisierung von Metallen zu entwickeln. Vorteile versprach man sich vor allem im Bergbau. Der Physiker Heinrich Wilhelm Dove erfand im 19. Jahrhundert das Induktion-Balance-System, das in Metalldetektoren hundert Jahre später als erstes System für Metallsuchgeräte verwendet wurde. Die ersten Geräte benötigten viel Batteriestrom und arbeiteten nur sehr begrenzt. Alexander Graham Bell versuchte ein solches Gerät zu nutzen, um eine Kugel in der Brust von US-Präsident James A. Garfield 1881 zu finden. Der Versuch blieb erfolglos, offenbar weil die Metall-Spiralfedern des Bettes störten.

Die moderne Entwicklung der Metalldetektoren begann in den 1930er Jahren. Der Techniker Gerhard Fischer erkannte, dass Radio-Wellen durch erzhaltiges Gestein und Metallteile gestört bzw. abgelenkt wurden. Es sollte also umgekehrt möglich sein, mit Hilfe von hochfrequenten Wellen Metall zu orten. Im Jahr 1937 erwarb er das erste Patent für einen Metalldetektor.

Józef Stanisław Kosacki, einem polnischen Offizier, der in St Andrews in Schottland in den frühen Jahren des Zweiten Weltkrieges stationiert war, gelang die Entwicklung leichterer und leistungsfähigerer Geräte. Auch diese Geräte arbeiteten jedoch mit Elektronenröhren und hatten dementsprechend große und schwere separate Batterien. Dennoch war das Gerät sehr erfolgreich und verbreitet, zum Beispiel wurde damit erstmals Minensuche in großem Umfang betrieben. Hersteller von neuen Geräten brachten weitere Ideen auf den Markt, so begann etwa White´s Electronics of Oregon in den 1950er Jahren den Oremaster Geigerzähler zu entwickeln. Ein anderer Erfinder in der Detektor-Technologie wurde Charles Garrett, der den BFO (Beat Frequency Oscillator), also die tonfrequente Schwebung zwischen zwei LC-Oszillatoren, von denen der eine durch Metall verstimmt wird, entwickelte.[1Mit der Erfindung und Entwicklung des Transistors in den 1950er und 1960er Jahren gelang es, immer kleinere und leichtere Geräte mit verbesserten Schaltungen und kleineren Akkus zu entwickeln.

Die größte technische Entwicklung brachte das Induktions-Balance-System. Dieses System bestand aus zwei wechselstromdurchflossenen Spulen, deren Induktivitäten abgeglichen wurden. Sobald Metall in die Nähe kommt, geraten sie aus der Balance, dies erlaubt sogar, Metalle voneinander zu unterscheiden, da jedes Metall eine andere Phasenverschiebung ergibt.

Das ursprüngliche Induktions-Balance-System bestand aus zwei übereinander angeordneten identischen Spulen. Compass Electronics produzierte ein neues Design: die beiden Spulen wurden in eine D-Form gebracht und mit den geraden Abschnitten aneinander gelegt. Dieses System wurde in den 1970er Jahren verwendet. Um den störenden Einfluss insbesondere eisenhaltiger Böden auszublenden, konnte die Frequenz verstellt werden.

Zur gleichen Zeit entstanden die Puls-Induktions-Geräte. Im Gegensatz zu dem Schwebungsprinzip oder dem Induktions-Balance-System senden Puls-Induktions-Geräte magnetische Pulse in den Boden. Nach dem Aussenden eines Pulses wird die Zeit gemessen, die vergeht, bis der Puls abgeklungen ist. Die Abklingdauer erhöht sich aufgrund von Wirbelströmen, die in anwesendem Metall auftreten. Die Geräte sind unempfindlicher gegenüber der Bodenbeschaffenheit und erreichen große Tiefen.

Aufbau

Metalldetektoren bestehen aus einer meist batteriebetriebenen elektronischen Schaltung und einer von niederfrequentem Wechselstrom durchflossenen Suchspule, deren Magnetfeld möglichst weit reichen soll. Die Form der Spule ist dazu entweder flach (Teller- oder Ringform, Doppel-D ohne Kern) oder gestreckt (Zylinderspule).

Die flachen Formen werden zum Absuchen von Personen oder von Bodenflächen verwendet, während die gestreckten Formen zur Lokalisierung von Objekten in Hohlräumen wie Bohrschächten oder Gesteinsspalten dienen.

Elektronik und Spule sind mittels einer Leitung miteinander verbunden und meist auf ein Gestänge mit Armstütze montiert.

Funktion

Grundsätzlich können Metalldetektoren nach dem zugrundeliegenden Messverfahren unterteilt werden:
Pulsmessung (englisch pulse mode): Dabei werden über die Sendespule periodisch Pulse eines Magnetfelds ausgesendet. Diese erzeugen in metallischen Objekten in der Umgebung der Spule Wirbelströme. Die Wirbelströme wiederum verursachen in der Empfangsspule eine Signaländerung, die unmittelbar nach dem Ausschalten des Sendepulses als Spannung messbar ist. Je nach zeitlichem Verlauf und Dauer dieser Wirbelstromantworten auf unterschiedlich lange Pulse und Pulsfolgen kann auf verschiedene Metalle und auf die Größe der metallischen Objekte geschlossen werden. Die Signalauswertung erfolgt dabei im Zeitbereich.
Wechselstromerregung oder englisch continuous wave oder CW mode: Hierbei wird ein kontinuierlicher Wechselstrom in einer Sendespule erzeugt. Es gibt 2 Verfahren: Dämpfungsanalyse: Sendefeld im Frequenzbereich von einigen 10 kHz. In der Empfangsspule wird das Empfangssignal nach Amplitude und Phasenlage analysiert. Das Übertragungsprinzip ist ein magnetisch gekoppeltes System, ähnlich wie bei einem Transformator. Durch metallische Objekte, aber auch durch elektrisch leitfähige Flüssigkeiten (Elektrolyte), kommt es dabei zu einer Änderung der empfangenen Amplitude und Phasenlage bezogen auf das Sendesignal. Diese beiden unabhängigen Parameter ermöglichen eine Unterscheidung verschiedener Materialien und metallischer Objekte. Des Weiteren kann durch den Einsatz unterschiedlicher Sendefrequenzen, die auch gleichzeitig ausgesendet werden können, eine weitere Klassifizierung der Suchobjekte erfolgen.
viele Geräte (Eigenbau und Freizeit) haben nur eine Suchspule und arbeiten im Spektralbereich. Die Spule ist Teil eines LC-Oszillators und hat eine Eigenresonanzfrequenz von einigen 100 kHz. Die durch die Feldverdrängung und/oder die Permeabilität der zu suchenden Metallgegenstände entstehenden Frequenzänderungen werden durch Vergleich mit einem Referenzoszillator als Schwebung in einem Kopfhörer hörbar gemacht. Die frequenzerhöhende Feldverdrängung und die frequenzverringernde Permeabilität können einander aufheben, sodass Eisenteile bestimmter Gestalt nicht gefunden werden können.

Die unterschiedlichen Signalantworten bei verschiedenen Metallen und Stoffen und die Möglichkeit zur Detektion hängen mit deren Stoffkonstanten zusammen. Primäre Einflussfaktoren zur Unterscheidung sind die magnetische Permeabilität und die elektrische Leitfähigkeit. Nichtmetalle unterscheiden sich bei diesen Stoffkonstanten wesentlich von Metallen. Darüber hinaus ist auch die Beweglichkeit der Ladungsträger von Bedeutung.

Die Signaländerung wird bei allen Messverfahren elektronisch ausgewertet und auf einer optischen Skala (beispielsweise verschiedene LEDs) sichtbar oder durch einen akustischen Signalgeber ab einem bestimmten Schwellenwert hörbar gemacht. Bei industriell eingesetzten Metalldetektoren, zum Beispiel in der Lebensmittelindustrie zur Qualitätssicherung und Vermeidung von Metallsplittern in Lebensmitteln, wird die Signalauswertung zur automatischen Steuerung der Produktionsanlage verwendet.

Anwendungen

  • In Flughäfen und anderen sensiblen Bereichen zur Personenkontrolle.
  • Um die Position metallischer Leitungen und Rohre im Boden und in Wänden zu finden.
  • In der Lebensmittelindustrie und Pharmaindustrie, um Metallsplitter in den Produkten zu finden.
  • Bei der Schatzsuche zum Auffinden metallischer Objekte, wie Münzen, Schmuck etc. (siehe auch Sondengänger)
  • In der Archäologie leistet der Metalldetektor wertvolle Dienste bei der Erstorientierung auf Grabungsplätzen der metallführenden Epochen, der Großflächenplanung (Prospektion) und der Rettung von Bodendenkmälern auf Großbaustellen (Notbergungen). Ihr sachgemäßer Einsatz verlangt jedoch höchste Disziplin und Wissen, damit nicht vorschnell Fundort-Situationen undokumentiert vernichtet werden. Wegen dieses Risikos stehen viele Archäologen der Anwendung des Metalldetektors auf Grabungen skeptisch gegenüber.
  • Bei der Kampfmittelbeseitigung zum Aufspüren von Landminen, Blindgängern, Munition und ähnlichem.
  • Im Bereich des Maschinenschutzes: Untersuchen von Baumstämmen vor dem Sägen oder von Kunststoffgranulat vor der Verarbeitung im Extruder sowie bei der Vlies- und Folienherstellung.
  • Induktive Näherungsschalter arbeiten nach dem gleichen Prinzip wie Metalldetektoren, sind jedoch vergleichsweise klein und haben daher geringe Schaltabstände. Sie werden in der Automatisierungstechnik zur Positionsbestimmung und als Endlagenschalter eingesetzt.

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