Metalldetektor
Ein Metalldetektor (auch Metallsuchgerät und Metallsonde) ist ein Gerät zur Lokalisierung verborgener Metallteile, Rohrleitungen und elektrischer Leiter an Land sowie unter Wasser.
Geschichte und Entwicklung
Mit dem Beginn des 20. Jahrhunderts war man bestrebt, ein Gerät 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 waren sehr einfach aufgebaut, benötigten viel Batteriestrom und arbeiteten nur in sehr begrenztem Maße. Alexander Graham Bell versuchte ein solches Gerät zu nutzen, um eine Kugel in der Brust von US-Präsident James 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 gestört 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 an einem Gerät in St Andrews in Schottland in den frühen Jahren des Zweiten Weltkrieges stationiert war, gelang die Verbesserung desselben. Diese Geräte waren jedoch sehr schwer und benötigten Vakuumröhren sowie separate Batterien. Hersteller von neuen Geräten brachten alsbald eigene 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) entwickelte.[1] Mit 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 Spulen, die elektrisch ausgeglichen wurden. Sobald Metall in ihre Umgebung eingeführt wird, geraten sie aus dem »Gleichgewicht«, dies erlaubt Metalle zu »diskriminieren«, also voneinander zu unterscheiden, da jedes Metall eine andere Phasen-Reaktion ergibt, wenn der Wechselstrom ausgesetzt hat.
Das ursprüngliche Balance Induktion Spulen-System bestand aus zwei identischen Spulen, aufeinander gelegt. Compass Electronics produzierte ein neues Design: die beiden Spulen wurden in eine D-Form gebracht, um einen gegensätzlichen Kreis zu bilden. Dieses System wurde in den 1970er Jahren verwendet. Um die Mineralisierung des Bodens auszugrenzen, konnten die Frequenzen verstellt werden.
Zur gleichen Zeit entstanden die Puls-Induktion-Geräte. Im Gegensatz zu den Beat-Frequency-Oscillator- oder den Balance-Induction-Geräten sendet das Asynchron-Impuls-Gerät ein Hochspannungs-Impuls-Signal in den Boden. Mit dem Aussenden eines Impulses wird dabei die äußerst minimale Zeitdifferenz gemessen, die entsteht, wenn der Impuls auf Metall trifft; dabei erhöht sich die Spannung.
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 sich einander aufheben, sodass Eisenteile bestimmter Gestalt nicht gefunden werden können.
Die unterschiedlichen Signalantworten bei verschiedenen Metallen und Stoffen und der Möglichkeit zur Detektion hängt 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.
Anwendung
Metalldetektoren haben viele Einsatzbereiche:
- 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, 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.
