BRAND, Michael (Oberdorf 27, Grossrückerswalde, 09518, DE)
WERNER, Christoph (Thomas-Mann-Str. 18, Jena, 07743, DE)
LAUSCH, Holger (Semmelweisstr. 31, Jena, 07743, DE)
BRAND, Michael (Oberdorf 27, Grossrückerswalde, 09518, DE)
WERNER, Christoph (Thomas-Mann-Str. 18, Jena, 07743, DE)
| Patentansprüche
1. Anordnung zur Veränderung der Magnetisierung von Objekten (19) durch Anlegen eines definiert veränderbaren magnetischen
5 Wechselfeldes, dadurch gegenzeichnet, dass zur Erzeugung des magnetischen Wechselfeldes mindestens ein rotierender Permanentmagnet (13) verwendet wird, dessen Aufmagnetisierungsrichtung bezüglich seiner Drehachse Y-Y so angeordnet ist, dass das resultierende Drehfeld am jeweiligen lo magnetisierbaren Objekt (19) ein ummagnetisierendes drehendes Streufeld erzeugt.
2. Anordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet ein in Richtung seiner Rotationsachse i 5 durchmagnetisierter Quader (132) ist.
3. Anordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet eine Kugel ist, deren eine Hälfte als N-PoI und deren andere Hälfte als S-PoI gestaltet ist. 0
4. Anordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet ein Zylinder (133) ist, bei dem der N-PoI und der S-PoI sich auf entgegengesetzten Seiten einer die Rotationsachse Y- Y des Zylinders enthaltenden Ebene befinden. 5
5. Anordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet als Ring (134) gestaltet ist, dessen geometrische Achse und Rotationsachse zusammenfallen und bei dem sich der N- PoI und der S-PoI auf entgegengesetzten Seiten einer die0 Rotationsachse enthaltenden Ebene befinden.
6. Anordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (13) zylindrisch gestaltet und mit einer geraden Anzahl von sektorenartig angeordneten N-, S-Polen versehen ist, die5 sich bezüglich der Rotationsachse Y-Y paarweise gegenüber und/oder untereinander liegen.
7. Anordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Permanentmagneten (13) ein Antriebsaggregat (12), mindestens ein Magnetfeldsensor (15) und eine Auswerteeinheit (16) zugeordnet sind.
8. Anordnung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (13) und/oder das Antriebsaggregat (12) und/oder der Magnetfeldsensor (15) und/oder die Auswerteeinheit (16) sich in einer Baueinheit (18) befinden.
9. Anordnung gemäß Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldsensor (15) mit Mitteln zur Kompensation (14) von magnetischen Primärfeldern ausgestattet ist, die mit dem Permanentmagneten (13) fest verbunden sind.
10. Anordnung gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch Mittel zur Veränderung der Stellung der Rotationsachse Y-Y des Permanentmagneten (13) gegenüber dem Objekt.
11. Anordnung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung einen Rechner enthält.
12. Anordnung gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Rechner ein Formdatenbank und/oder eine Strukturdatenbank aufweist.
13. Verfahren zur Veränderung der Magnetisierung von Objekten durch Anlegen eines definiert veränderbaren magnetischen Wechselfeldes, dadurch gekennzeichnet, dass das Wechselfeld ein magnetisches Drehfeld ist, das in jeder Umdrehungsperiode in jedem Objekt eine zyklische Folge von Streufeldern erzeugt, die sich jeweils zu einem Gesamtstreufeld überlagern, wobei die Summe der Gesamtstreufelder einer Umdrehungsperiode eine in sich geschlossene räumliche Folge von virtuellen Punkten beschreibt, deren Abweichung von einen Punktnormal zur Ermittlung der Anzahl, Lage, Ausrichtung und Form der Objekte benutzt wird.
14. Verfahren gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung computergestützt erfolgt.
15. Verfahren gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die räumliche Lage des Drehfeldes gegenüber den Objekten verändert wird, wodurch das Gesamtstreufeld zumindest teilweise in die Streufelder der einzelnen Objekte aufgelöst wird.
16. Verfahren gemäß den Anspruch 13 - 15, dadurch gekennzeichnet, dass mit jeder Veränderung der räumlichen Lage des Drehfeldes die
Summe der Gesamtstreufelder einer nachfolgenden Umdrehungsperiode eine entsprechende in sich geschlossene räumliche Folge von virtuellen Punkten beschreibt, wobei jedem einzelnen Punkt der vorangehenden Kurve ein Nachfolgepunkt in der neuen Kurve zugeordnet werden kann und deren Veränderung zur
Ermittlung der Anzahl, Lage, Ausrichtung und Form der Objekte und/oder zur Auflösung von Objektstrukturen benutzt wird.
17. Verfahren gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Form der jeweils nachfolgenden Kurve der vorangehenden Kurve zugeordnet wird und damit Objekte form-, läge- und strukturbezogen aufgelöst und vermessen werden können.
18. Verfahren gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Geber des Drehfeldes und dem Objekt eine
Vergrößerung des Abstandes vorgenommen wird. |
Anordnung und Verfahren zur Veränderung der Magnetisierung von Objekten
Beschreibung
5
Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Veränderung der Magnetisierung von Objekten gemäß der Gattung der Patentansprüche.
iö Bekanntlich weisen magnetisierbare Objekte infolge von Herstellungs-, Transport- und/oder Weiterverarbeitungsprozessen unvermeidbare Vormagnetisierungen auf, deren Größen nicht von vorneherein bestimmbar sind. Die von Ihnen erzeugten Magnetfelder können störende bzw. schädliche Auswirkungen auf technische Einrichtungen i5 und Menschen haben. Dagegen werden Entmagnetisierungsverfahren bzw. -anordnungen verwendet, welche die magnetischen Störfelder bis zu Feldstärken von < 0,1 mT, also auf unbedenkliche Werte, reduzieren, siehe Druckschrift „Entmagnetisieren" der Fa. HEIL, Magnet- und Werkzeug- Technik, Blegistraße 15, CH-6340 Baar. Mit Hilfe von0 wechselstromdurchflossenen Spulen, Jochen oder Platten werden die Objekte umgebende elektromagnetische Wechselfelder erzeugt, welche die Elementarmagnete (Werkstücke, Materialien, Einbauten) ständig umpolen, so dass in ihnen keine magnetischen Vorzugsrichtungen entstehen können. Damit ein magnetisch zumindest nahezu neutraler 5 Zustand im jeweiligen Objekt entsteht, muss das einwirkende Wechselfeld kontinuierlich schwächer werden. Hierzu wird entweder der Abstand zwischen den Objekt und der Entmagnetisierungsvorrichtung langsam vergrößert oder die Stromstärke in der Spule (Joch, Platte) allmählich verringert. 0 Die bekannten Anordnungen dieser Art sind energieintensiv, voluminös gebaut und von erheblichem Gewicht. Da die Reichweite bzw. Stärke des Wechselfeldes nicht nur von der Stromstärke sondern auch vom Radius der verwendeten Spule abhängt, kann dies zu einem bei der Anwendung der Entmagnetisierungsvorrichtung hinderlichen5 Größenfaktor fuhren, was insbesondere bei der Entmagnetisierung oder
Ummagnetisierung von eingebauten Baustählen von erheblicher Bedeutung ist.
Ferner ist aus der WO 2006/066529 A2 zur Ortung von Stahlteilen in Beton bekannt, Spulen oder Dauermagnete zu verwenden. Zur 5 flächenhaften oder in die Tiefe gehenden Erfassung der Stahlteile müssen die Spulen oder Dauermagnete clusterformig angeordnet sein oder es müssen Spulenanordnungen mit mindestens zwei ineinander liegenden Spulen verwendet werden, die verschiebbar angeordnet sind. Damit wird diese Ortungseinrichtung sehr aufwändig. iö Zur berührungslosen definierten Bewegung eines magnetischen Körpers dient gemäß WO 2007/131503 A2 ein definiert beweglicher Permanentmagnet. Der magnetische Körper ist frei beweglich und soll vom primären Permanentmagneten geführt, ausgerichtet und geortet werden. In gewissen Zeitabständen wird ermittelt, an welchem Punkt i 5 sich der magnetische Körper im Feld des primären Permanentmagneten befindet. Eine Veränderung der Magnetisierung des Körpers wird nicht vorgenommen.
Schließlich ist aus der WO 2008/034434 Al eine Anordnung zum Erkennen und Klassifizieren von vorzugsweise verdeckten
20 Gegenständen in Objekt- und Personenströmen innerhalb eines Detektionsraumes bekannt, bei der mit Magnetfeldsensoren in gewissen Zeitabständen sich in einer Messschiene befindliche ferromagnetische Körper erfasst werden. Diese Anordnung wirkt nach Art einer magnetischen Schranke, die in Zeitintervallen gelegt wird. 5
Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Behebung der vorstehend genannten Mängel bei der Veränderung der Magnetisierung von Objekten insbesondere bei der Entmagnetisierung. Darüber hinaus soll die Erfindung so gestaltet werden, dass sie die Lage, Orientierung, Form 0 und Struktur der magnetisierbaren Objekte zu erfassen gestattet.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die kennzeichneten Merkmale des ersten und dreizehnten Patentanspruchs gelöst und durch die Merkmale der Unteransprüche modifiziert bzw. verbessert. 5 Dabei kann der Permanentmagnet ein in Richtung einer Achse durchmagnetisierter rotierender Quader sein, wobei die Achse im
Wesentlichen mit der Rotationsachse identisch ist. Er kann eine Kugel sein, deren eine Hälfe der N-PoI und deren andere Hälfte der S-PoI ist. Der rotierende Permanentmagnet kann als Voll- oder Hohlzylinder (Ring) gestaltet sein, bei dem N- und S-PoI jeweils auf 5 entgegengesetzten Seiten einer die Zylinderachse enthaltenden Ebene liegen. Auch kann der rotierende Permanentmagnet sektorenförmig bezüglich der Rotationsachse durchmagnetisiert sein. Im letzteren Fall wird bei der Rotation eine von der Anzahl der Sektoren abhängige höhere Drehfeldfrequenz erzeugt, wobei unter sonst gleichen iö Bedingungen die Feldstärke und die Reichweite des Drehfeldes bei gleichem Volumen des Permanentmagneten entsprechend geringer wird. Die genannten Permanentmagnetgestaltungen können auch in Kombination miteinander benutzt werden. Die Verwendung von rotierenden Permanentmagneten zur Veränderung i 5 der Magnetisierung, insbesondere zur Entmagnetisierung von Objekten führt gegenüber dem Verfahren mit Spulen und alternierendem Wechselfeld zu vier- bis fünfmal besseren Ergebnissen, wobei die magnetische Feldstärke bezogen auf das hinsichtlich seiner Magnetisierung zu verändernde Objekt in beiden Fällen als gleich 0 vorausgesetzt wird.
Dieser überraschende Effekt hat seine Ursache darin, dass bei der Abmagnetisierung eines Objektes mittels rotierender Permanentmagnete die Feldausrichtung und Feldamplitude kontinuierlich mit dem Rotationswinkel in einer Periode von 0° bis 360° wechselt. Mit einers gleichzeitigen Abstandsvergrößerung des Permanentmagneten bezüglich des ferromagnetischen Objektes wirkt das Drehfeld des Permanentmagneten mehrdimensional auf die remanente Magnetfeldpolarisierung in den einzelnen Domänen (WEISS-Bezirken) des Objektes. Die Drehung des Feldes verbessert sein Eindringen in das0 Objekt und benötigt eine geringere Wandverschiebungsfeldstärke für die zwischen den einzelnen Domänen bestehenden BLOCH- Wände. Die Eindringtiefe des magnetischen Feldes ist dabei abhängig von der magnetischen Koerzitivfeldstärke des ferromagnetischen Werkstoffes (Objektes) sowie von der Frequenz des Drehfeldes. Je nach dem,5 welcher konkrete ferromagnetische Werkstoff entmagnetisiert werden soll, schwankt die Eindringtiefe bei einer Frequenz von 50 Hz zwischen
10 und 40 mm, bei einer Frequenz von 5 Hz zwischen 50 und 100 mm und bei einer Frequenz von 1 Hz um die 500 mm. Bezogen auf die magnetische Feldstärke eines außen angelegten Drehfeldes ist die zur vollständigen Entmagnetisierung einer ferromagnetischen Substanz notwendige magnetische Feldstärke (Koerzitivfeldstärke eines Werkstoffes) wesentlich geringer und die Entmagnetisierung deshalb effektiver. Gegenüber der magnetischen Feldstärke eines außen angelegten, durch Spulen erzeugten Wechselfeldes ist die Koerzitivfeldstärke eines Werkstoffes wesentlich höher, so dass ein Spulen-Wechselfeld mit bedeutend höherer magnetischer Feldstärke angelegt werden muss, um eine vergleichbare Effektivität der Entmagnetisierung zu erreichen.
Zur Veränderung der Magnetisierung von Objekten gehört auch deren Auf - und Ummagnetisierung in definierter Weise. Dabei erzeugen die Objekte ihrerseits spezifische Streufelder, die mit modifizierten Anordnungen zur Veränderung der Objektmagnetisierung gemessen werden können. Eine derartige Anordnung weist außer mindestens einem um eine Achse drehbaren Permanentmagneten mindestens einen Magnetfeldsensor, beispielsweise ein Magnetometer auf, der/das auf der Drehachse des Permanentmagneten angeordnet ist, jedoch an dessen Drehungen nicht teilnimmt, und dem eine magnetische Kompensationseinrichtung zugeordnet ist, welche nur die von den Objekten ausgehenden magnetischen Streufelder zum Magnetfeldsensor gelangen lässt. Diese Kompensationseinrichtung kann in Form von zum rotierenden Permanentmagneten entgegengesetzt gepolten Magneten gestaltet und am Permanentmagneten befestigt sein. Das Magnetometer kann vorzugsweise dreiachsig sein, einen Messbereich von vorzugsweise mindestens ± 6 G und eine Empfindlichkeit von mindestens 0,1 G haben. Seine Zeitauflösung soll vorzugsweise 500 - 600 Hz betragen. Im Verfahren der Entmagnetisierung gemäß der Erfindung wird also das zu entmagnetisierende Objekt zunächst einem magnetischen Drehfeld ausgesetzt, dessen Feldstärke auf den Magnetismus des Objektes in etwa abgestimmt ist und bspw. 50 G beträgt. Danach wird der sich drehende magnetische Feldgeber und damit das Drehfeld vom Objekt entfernt, uns zwar bspw. mit einer Geschwindigkeit von 20 cm/s. Nach ca. 3s ist kein Magnetismus mehr
im Objekt feststellbar. Es hat sich herausgestellt, dass mit den erfindungsgemäßen Verfahren gegenüber den bekannten spulenbasierten Verfahren unter sonst gleichen Bedingungen sich eine relative Restmagnetisierung erreichen lässt, die nur ein Viertel der 5 Restmagnetisierung der spulenbasierten Verfahren beträgt.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung können ein Antriebsaggregat, mindestens ein Magnetfeldsensor mit Kompensationseinrichtung und eine Auswerteeinrichtung in einem Gehäuse zu einem Modul zusammengefasst sein. Die Auswerteeinrichtung kann einen Rechner lo und/oder eine Formdatenbank und/oder eine Strukturdatenbank enthalten.
Ein vorteilhaftes Verfahren zur Veränderung der Magnetisierung von Objekten durch Anlegen eines definiert veränderbaren magnetischen i 5 Wechselfeldes ergibt sich, wenn das Wechselfeld ein magnetisches Drehfeld ist, das in jeder Umdrehungsperiode im jeweiligen Objekt eine zyklische Folge von Streufeldern erzeugt, die sich jeweils zu einem Gesamtstreufeld überlagern, wobei die Summe der Gesamtstreufelder einer Umdrehungsperiode eine in sich geschlossene räumliche Folge von0 virtuellen Punkten beschreibt, deren Abweichung von einem Punktfolgennormal zur Ermittlung der Anzahl, Lage, Ausrichtung, Struktur und Form der Objekte benutzt wird. Diese Ermittlung erfolgt vorteilhafterweise computergestützt. Die räumliche Lage des Drehfeldes kann gegenüber den festen Objekten verändert werden; dadurch wird das 5 Gesamtstreufeld zumindest teilweise in die Streufelder der einzelnen Objekte aufgelöst. Ein einzelnes festes Objekt kann allein durch das magnetische Drehfeld hinsichtlich seiner Form erkannt bzw. wiedererkannt werden. Mit jeder Veränderung der räumlichen Lage des Drehfeldes beschreibt die Summe der Gesamtstreufelder einer0 nachfolgenden Umdrehungsperiode eine entsprechende in sich geschlossene räumliche Folge von virtuellen Punkten, wobei jedem einzelnen Punkt der vorangehenden Kurve ein Nachfolgepunkt in der neuen Kurve zugeordnet und deren Veränderung zur Ermittlung der Anzahl, Lage, Ausrichtung und Form der Objekte und/oder zurs Auflösung von Objektstrukturen benutzt werden. In gleicher Weise wird die Form der jeweils nachfolgenden Kurve der vorangehenden Kurve
zugeordnet, und damit können Objekte form-, läge- und strukturbezogen aufgelöst und vermessen werden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert. Dabei wird beispielhaft auf die Entmagnetisierung und Ortung von eingebauten Baustählen Bezug genommen. Es kann sich selbstverständlich auch um andere, zugängliche oder vorzugsweise unzugängliche magnetisierbare Objekte handeln. Es zeigen:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Anordnung als Modul in einem Aufπss-Axial-Schnitt,
Fig. 2 die erfindungsgemäße Anordnung vor einem eingebauten
Objekt, Fig. 3 einen Drehmagneten vor verschiedenen Fällen A, B 5 C, D, E von eingebauten Baustählen im Auf- und Grundriss, Fig. 4a, b, c, d, Darstellungen des Drehmagneten im Auf- und
Grundriss mit zum Objekt gemäß Fig. 3 A paralleler
Drehachse in vier um jeweils 90° versetzten Drehphasen, Fig. 5a, b, c, d, Darstellungen des Drehmagneten mit am Objekt gemäß Fig. 3A rechtwinklig vorbeigehender Drehachse in vier um jeweils 90° versetzten Drehphasen,
Fig. 6a, b, c, d, jeweils eine Gestaltung eines drehbaren
Permanentmagneten im Grundriss und daneben im Aufriss, Fig. 7 Diagramme a zur Verdeutlichung der Wirkungsweise eines rotierenden Permanentmagneten und b zur Verdeutlichung der Wirkungsweise eines spulenbasierten Elektromagneten und Fig. 8 Diagramme zu Entmagnetisierungsversuchen und zwar a zu
Feldstärken und b zu relativen Restmagnetisierungen.
In Fig. 1 sind in einem Gehäuse 10 übereinander und zu einer Achse Y- Y ausgerichtet eine Energiequelle 11 (Akku oder Batterie) ein Motor 12, ein um die Achse Y-Y drehbarer Permanentmagnet 13 mit Polen N, S, eine Kompensationseinrichtung 14, ein Magnetfeldsensor 15, der an den Drehungen des Permanentmagneten 13 nicht teilnimmt, und eine Auswerteeinheit 16 angeordnet. Die Energiequelle 11 regt im eingeschalteten Zustand den Motor 12 zum Antrieb einer Welle 17 an,
auf der der Magnet 13 starr befestigt ist. Die Kompensationseinrichtung 14 ist mit dem sich drehenden Permanentmagneten 13 fest verbunden und schirmt den Magnetfeldsensor 15 gegen das vom Permanentmagneten 13 ausgehende Primärmagnetfeld (Drehfeld) ab. Sie ist entgegengesetzt zum Permanentmagneten 13 gepolt. Der Magnetfeldsensor 15 erhält dadurch nur die von einem nicht dargestellten Objekt in seinem Drehfeld entstehende Streustrahlung und gibt die entsprechenden Signale an die Auswerte- und Anzeigeeinheit 16 weiter. Der Magnetfeldsensor 15 kann in Abhängigkeit von seiner Verwendung, als ein- oder mehrachsiges Magnetometer gestaltet sein. Er muss ebenso wie die Energiequelle 11, die ggf. durch einen Netzanschluss ersetzt werden kann, und die Auswerteeinheit 16 nicht mit dem Drehfeldgeber 13 in einem Gehäuse 10 vereinigt sein.
In Fig. 2 befindet sich das in Fig. 1 dargestellte Modul 18 vor einem unzugänglichen Baustahl 19, der in einem ausschnittsweise dargestellten Betonkörper 20 fest eingebaut ist. Das Modul 18 ist geeignet, mit Hilfe des Magnetfeldsensors 15 die magnetische Streustrahlung des Baustahls 19 in den Koordinatenrichtungen x, y, z, eines rechtwinkligen Koordinatensystems zu erfassen, die durch das primäre Magnetfeld des sich drehenden Permanentmagneten 13 erregt wird. Die Drehachse Y-Y des Permanentmagneten 13 ist dabei parallel zur Koordinatenrichtung y gerichtet. Wird eine Entmagnetisierung des stabförmigen Baustahls 19 vorgenommen, so wird das Modul 18 in Richtung der Koordinate z bewegt.
In Fig. 3 ist der Drehmagnet 13 mit seinen Polen N, S so dargestellt, dass seine Drehachse Y-Y parallel zu den Objekten gerichtet ist. Seine Drehrichtung ist durch einen Pfeil 131 markiert. Im Fall A ist nur ein Baustahl 191 als Objekt in einem Betonkörper 20 vorgesehen. Im Fall B sind zwei zueinander parallele Baustähle 192, 193 parallel und im gleichen Abstand zur Oberfläche 201 des Betonkörpers 20 angeordnet. Im Fall C sind die parallelen Baustähle 192, 193 vom Modul 18 her gesehen hintereinander angeordnet. Im Fall D, der als eine Kombination der Fälle B und C angesehen werden kann, sind die Baustähle 191, 192
vom Modul 18 her gesehen seitlich (in x-Richtung) und in der Tiefe (in z-Richtung) versetzt dargestellt. Im Fall E bilden drei durch eine Stabilisierungsarmierung 194 miteinander verbundene Baustähle 191, 192, 193 ein Prisma 21. Bei diesem liegt der Baustahl 191 dem Modul 18 am nächsten. Die Baustähle 191, 192 haben einen größeren, aber untereinander gleichen Abstand vom Modul 18. Der Fall E stellt eine typische Bewehrung im Stahlbetonbau dar.
In jedem Fall muss die Feldstärke des rotierenden Permanentmagneten 13 so gewählt werden, dass die Entmagnetisierung der Baustähle 191 bis 194 möglich ist bzw. das sein Primärmagnetfeld eine größere Feldstärke hat als evtl. vorhandene Hintergrundfelder und die Eigenmagnetisierung der Baustähle 191 bis 194.
Anstatt in verschiedenen Ebenen zu den Baustählen 191, 192, 193 kann sich die Rotationsachse Y-Y auch rechtwinklig oder in Neigung zu den Baustählen befinden.
Für den Fall A der Fig. 3 werden in den Fig. 4 und 5 die Magnetisierungszustände des Baustahls in Abhängigkeit von der Drehphase 0°, 90°, 180°, 270°, 360° = 0°angegeben. Die Fälle B bis E ergeben sich aus dem Fall A durch räumliche und zeitliche überlagerungen.
In Fig. 4a ist die Magnetisierung des Baustahls 191 bei 0°(= 360°)
Drehung des zylindrischen Permanentmagneten 13 dargestellt. In dieser Phase ist der N-PoI des Permanentmagneten 13 allein dem Baustahl 191 zugewandt und induziert in diesem einen S-PoI, dem sich nach den
Baustahlenden hin N-PoIe anschließen.
In Fig. 4b liegt nach einer 90°-Drehung des Permanentmagneten 13 dem
Baustahl 191 die Trennungszone 0 von N- und S-PoI gegenüber. In dem Baustahl werden über seine ganze Länge ein N-PoI und ein S-PoI induziert, die beide durch eine polfreie Zone 0 gemäß Sonderdarstellung f getrennt sind. Diese polfreie Zone liegt in Verlängerung der Trennzone
0 des Permanentmagneten 13.
In Fig. 4c ist nach einer 180°-Drehung des Permanentmagneten 13 dessen S-PoI dem Baustahl 191 zugewandt und induziert in diesem ein
N-PoI, dem sich nach den Enden des Baustahls hin S-PoIe anschließen.
Diese sich herausbildeten Pole, die generell auch als Wanderpole angesehen werden können, liegen bei 180°-Drehung also entgegengesetzt zur O°-Drehung. In Fig. 4d ist nach 270°-Drehung des Permanentmagneten 13 wieder die polfreie Zone 0 des Permanentmagneten 13 dem Baustahl 191 am nächsten. Analog zur 90°-Drehung werden über die Länge des Baustahls 191 ein N-PoI und ein S-PoI induziert, die entgegengesetzt zu Fig. 4b liegen und zwischen denen sich eine polfreie Zone 0 über die Länge des Baustahls erstreckt. Dieser Sachverhalt ist der Sonderstellung f entnehmbar.
Aus den Figuren 4 ist erkennbar, dass mit einer Rotation des Permanentmagneten 13 auch die Position eines parallel zur Rotationsachse Y-Y befindlichen Baustahls über die jeweiligen Nulldurchgänge des Streufeldsignals auf der x-, bzw. y-, bzw. z- Koordinatenachse eindeutig bestimmt werden kann. Ein Verstellen des Moduls 18 auf der y- Achse führt deshalb im Gegensatz zu den meisten bekannten Baustahlmessverfahren nicht zum Verlust des Signals. Die Lage der Baustahlenden wie auch die Winkelabweichungen in der x- und z-Koordinatenachse von der y-Koordinatenachse können ebenfalls eindeutig erkannt werden. Ein Verstellen des Moduls 18 auf der x- und z-Koordinatenachse ermöglicht neben der direkten Tiefen-, Lage- und Querschnittsbestimmung zugleich das Erkennen hinter- bzw. nebeneinander liegender Baustähle. Die Erfindung ermöglicht darüber hinaus eine direkte Erkennung von quer zur Rotationsachse des Permanentmagneten angeordneten Bausstählen wie aus den nachfolgenden Figuren 5 hervorgeht.
In den Figuren 5 ist die Aufmagnetisierung eines von einem Betonkörper
20 umschlossenen Baustahls 191 im Verlauf einer Umdrehung (0° - 360°) eines zylindrischen Permanentmagneten 13 dargestellt, dessen
Rotationsachse Y-Y rechtwinklig (quer) am Baustahl 191 vorbeigeht.
Der Permanentmagnet 13 dreht sich um die Achse Y-Y in Richtung eines Pfeils 131 entgegen dem Uhrzeigersinn.
Gemäß Fig. 5a steht bei 0° der Endpol des Drehmagneten 13 dem Baustahl 191 gegenüber und induziert in diesem einen S-PoI, an den sich nach den Enden des Baustahls 191 hin N-PoIe anschließen.
Nach einer 90°-Drehung des Permanentmagneten 13 liegt gemäß Fig. 5b der Baustahl 191 in der Ebene der polfreien Zone 0 des Permanentmagneten 13 und induziert in diesem eine sich im Baustahl 191 quererstreckende polfreien Zone 0 (siehe Sonderdarstellung g), die sich in Verlängerung der polfreien Zone 0 des Permanentmagneten 13 befindet und zu deren beiden Seiten entgegen der Polung des Permanentmagneten gerichtete N-, S-PoIe liegen.
Nach einer weiteren Drehung des Permanentmagneten 13 um 90°, insgesamt also um 180°, steht gemäß Fig. 5c dem Baustahl 191 der S-PoI des Permanentmagneten 13 gegenüber, der im Baustahl 191 einen N-PoI induziert an den sich in Baustahllängsrichtung nach beiden Seiten S-PoIe anschließen.
In Fig. 5d ist der Permanentmagnet 13 um 270° gedreht. Im Baustahl 191 entsteht entsprechend der Stellung des Permanentmagnets 13 (wie bei 90°-Drehung) eine polfreie (magnetfeldfreie) Zone 0 an die sich entgegen der Pollage des Permanentmagneten 13 und der Fig. 2 ein S- PoI und ein N-PoI anschließen. Die Zone 0 im Baustahl 191 liegt in der Ebene der Zone 0 des Permanentmagneten. Nach 360° -Drehung ist wieder die Nulldrehung des Permanentmagneten erreicht und die Magentisierungsveränderung beginnt von neuem in der eben beschrieben Weise.
Es versteht sich von selbst, dass in den Figuren 4 und 5 nur die Magnetisierung eines Objektes an markanten Punkten einer Umdrehung dargestellt ist, dass aber bei kontinuierlicher Drehung des Permanentmagneten 13 entsprechende Polverschiebungen zwischen den dargestellten Stellungen stattfinden, dass also die Pole im Objekt wandern (Wanderpole), und zwar bei jeder vollen Umdrehung des Permanentmagneten 13 in derselben Weise, so lange sich Drehachse Y- Y und Objekt 19 in derselben Zuordnung befinden . In gleicher Weise verändern sich auch die vom Baustahl 191 (Objekt 19) erzeugten magnetischen Streufelder zyklisch.
Im Hinblick auf die Figuren 4 und 5 lässt sich sagen, dass die am Ort mindestens eines Objektes erzeugten rotierenden magnetischen Streufelder abhängig sind von der Lage der Rotationsachse Y-Y, bezüglich des Objektes im Raum sowie von der Form, dem Volumen,
dem Material und der Struktur des Objektes, wobei das Objekt aus mehreren Teilobjekten bzw. einer Struktur von Objekten bestehen kann. Entsprechend ist die Objekt-Entmagnetisierung abhängig von der Rotationsfrequenz, der räumlichen Zuordnung von Permanentmagnet und Objekt, der Bewegungsgeschwindigkeit der Rotationsachse gegenüber dem Objekt sowie von der Feldstärke des Permanentmagneten.
Wie die Figuren 6 jeweils in Grundriss und Aufriss bzw. Axialschnitt erkennen lassen, kann der rotierende Permanentmagnet 13 a) ein in seiner Höhe durchmagnetisierter Quader 132, b) ein axial durchmagnetisierter Zylinder 133, c) ein axial durchmagnetisierter Ring
134, d) ein axial sektorenförmig durchmagnetisierter Rotationskörper
135 sein, der im vorliegenden Beispiel drei Polpaare N, S aufweist. Selbstverständlich kann der Permanentmagnet auch kugelförmig gestaltet sein oder eine andere dem jeweiligen Anwendungsfall angepasste Form aufweisen. Die sektorenförmige Anordnung der Pole des Permanentmagneten 135 erzeugt zwar je nach der Anzahl der
Polpaare eine höhere Drehfeldfrequenz, bei drei Polpaaren eine dreifache Drehfeldfrequenz, jedoch wird die Feldstärke und damit die Reichweite des Drehfeldes bei gleichem Volumen des Drehmagneten entsprechend verringert.
In Fig. 7a ist stark vereinfacht ein zu entmagnetisierendes stabförmiges ferromagnetische Objekt 19 dargestellt, von dem ein magnetisches
Streufeld H im Raum ausgeht. Im Abstand 1 ist ein Permanentmagnet 13 angeordnet, dessen Drehachse Y-Y parallel zum stabförmigen Objekt 19 gerichtet ist, und der die änderung der Magnetisierung, bspw. die
Entmagnetisierung 20 bewerkstelligen kann. Zum Messen der Magnetisierung ist dem Drehmagneten ein nicht dargestellter Sensor zugeordnet. Der Abstand 1 ist notwendig, um einen Vergleich mit einem spulenbasierten Gerät (Fig. 7b) überhaupt durchfuhren zu können.
Das Streufeld H des Objektes 19 wird erregt von dem ständig und stetig rotierenden Permanentmagneten 13 dessen Drehfeld innerhalb einer Periode bewirkt, das das Objekt 19 einem kontinuierlich sich ändernden
Feldgradienten ausgesetzt ist, wobei die Gradienten in denselben Phasen
der aufeinander folgenden Perioden dieselben sind nach Richtung und Größe, wenn die Lage der Drehachse Y-Y bezüglich des Objektes sich nicht ändert. Mit dem auf das Objekt wirkenden Drehfeld ändert sich auch das von diesem ausgesandte Streufeld. Mit dem Beginn der Entmagnetisierung wird der Permanentmagnet 13 gedreht. Das Objekt 19 liegt im Verlauf der Drehung an unterschiedlichen Stellen des Drehfeldes. In Fig. 7a wird dies durch das H/t-Diagramm unterhalb des Objektes mit der abklingenden Feldstärkenkurve in axialer Richtung und das H/t-Diagramm neben dem Permanentmagneten mit der abklingenden Feldstärkenkurve in radialer Richtung verdeutlicht. Der Anfangswert der Feldstärke liegt beispielsweise bei 50 G. Das Abklingen der Feldstärke wird durch eine gleichzeitige Verschiebung des rotierenden Permanentmagneten 13 radial vom Objekt 19 weg erreicht, die beispielsweise in 3s 60 cm beträgt und aus dem Weg-Zeit-Diagramm der Fig. 7a hervorgeht,in dem h den Beginn der Entmagnetisierung angibt.
In Fig. 7b befindet sich eine elektrische Spule 22 unmittelbar am Objekt 19, um gleiche Feldstärkenverhältnisse wie Fig. 7a zu erreichen. Die Spule 22 wird bei der Magnetisierung ständig umgepolt und die Stromstärke in der Spule reduziert. Bei der Umschaltung wechseln lediglich die Feldlinien ihr Vorzeichen (Richtung). Dies drückt sich darin aus, dass im axialen H/t-Diagramm unter dem Objekt 19 eine mit der Zeit abklingende Feldstärke vorhanden ist, jedoch im radialen H/t- Diagramm rechts neben der Spule 22 eine Abklingkurve nicht erscheint. Da die Spule 22 nicht bewegt wird, sind außer dem Beginn der Entmagnetisierung h keine Eintragungen im Weg-(l)-Zeit-(t)-Diagramm enthalten.
Die Figuren 8 zeigen Diagramme aus jeweils 10 Entmagnetisierungsversuchen, und zwar zeigt Fig. 8a nebeneinander die
Feldstärken der Vormagnetisierung 23 des rotierenden
Permanentmagneten, die Feldstärken des Objektes 19 nach der
Entmagnetisierung mit Hilfe des Permanentmagneten 13 und die
Feldstärken des Objektes 19 nach der entsprechenden Entmagnetisierung mit Hilfe der Spule 22. Die Feldstärken der vom Objekt 19 ausgehenden
Streufelder, die unter gleichen Bedingungen erreicht worden sind, sind
bei der Entmagnetisierung mit Hilfe des Permanentmagneten deutlich kleiner als bei der Entmagnetisierung mit Hilfe der Spule. Fig. 8b stellt die mit den Permanentmagneten 13 und Spulen 22 erzielten relativen Restmagnetisierungen dar. Auch in diesem Fall sind die Restmagnetisierungen, die durch den Permanentmagnet 13 erzielt werden deutlich kleiner als durch die Spule 22 gewonnenen Restmagnetisierungen. Es geht dabei darum, zu zeigen, welche Effektivität unter sonst gleichen Bedingungen mit Spulen gesteuertem Wechselfeld und permanentmagnetischem Streufeld erreichbar ist. Die angegeben Werte sind keine Absolutwerte. Insgesamt gesehen beträgt die Effektivität der spulenbasierden Entmagnetisierung nur etwa ein Viertel der Effektivität, die mit rotierenden Permanentmagneten erreichbar ist.
Zusammenfassend und schlussfolgernd lässt sich sagen, dass durch die Erfindung nicht nur die Voraussetzungen zur wirkungsvollen Ent-, Auf- und Ummagnetisierung von ferromagnetischen Objekten geschaffen werden, sondern auch Rückschlüsse auf die Lage, Orientierung, Geometrie und Struktur von Objekten gezogen werden können. Als Ergebnis der Messungen erhält man die Richtung und Feldstärke des aus der Magnetisierungsgeometrie des Objektes und dem Hintergrundfeld resultierten Streufeldes am Sensorort. Die Komponenten des gemessenen Streufeldes können, bei zugrunde gelegter rechtwinklicher Anordnung der Komponenten des Magnetfeldsensors (x-, y- und z-Komponente des Feldvektors) als virtueller Raumpunkt bezüglich des von den Richtungen der Sensorkomponenten aufgespannten Koordinatensystems (Feldkoordinatensystems) interpretiert werden.
Beim Drehfeldverfahren ohne Ortsveränderung des rotierenden Permanentmagneten 13 ermittelt der gegenüber dem Primärfeld eines Drehfeldgebers kompensierte dreiachsige Magnetfeldsensor 15 bei einer vollen 360°-Drehung des Permanentmagneten 13 eine Folge von virtuellen Raumpunkten als Resultat der überlagerung der Streufelder (Gesamtstreufeld) aller im Messbereich (Drehfeldbereich) befindlichen magnetisierbaren Objekte. Die Anzahl der ermittelten virtuellen Raumpunkte je 360°-Drehung des Permanentmagneten 13 hängt von dessen Rotationsgeschwindigkeit und der Messfrequenz des
Magnetfeldsensors 15 ab. Das anregende Drehfeld (Primärfeld) ändert im zeitlichen Verlauf an jedem Raumpunkt seine Richtung und Stärke. Deshalb befindet sich das ortsunveränderliche magnetisierbare Objekt 19 im Verlauf einer 360°-Drehung auf jeweils anderen Feldlinien, die gemäß der Feldgeometrie des Permanentmagneten variieren, und wird dadurch unterschiedlich ummagnetisiert. Die Primärfeldgeometrie (Richtung und Stärke) ist bekannt und kann vorzugsweise bezüglich eines kartesischen Koordinatensystems mit Ursprung im Mittelpunkt des Permanentmagneten 13 und der Rotationsachse Y-Y als z- Achse beschrieben werden (Primärfeldkoordinatensystem). Außerdem sind Ausrichtung und Abstand des Magnetfeldsensors 15 zum Primärfeldkoordinatensystem bekannt. Der Sensor erfasst das aus dem veränderlichen Streufeld des magnetisierbaren Objekts 19 resultierende Feld am Sensorort mit jeder 360°-Drehung als eine geschlossene Folge von virtuellen Raumpunkten. Je nach Lage und Geometrie des Objektes 19 zum Modul 18 bilden diese Folgen unterschiedlich ausgeprägte spezifische Raumkurven, bspw. Kreisbahnen, Ellipsenbahnen, Doppelschleifen usw. Durch die Analyse der Ausformung der gewonnen Raumkurve und ggf. den Vergleich mit geometrieabhängigen spezifischen Musterkurven, bspw. für Kugeln, Stäbe, Gitter und andere Strukturelemente, ist die Erkennung der überlagerung einer Reihe von Objekten/Formen, deren Isolierung und die Vermessung, Positions-, Lage- und Orientierungsbestimmung der Einzelobjekte möglich. Für einzelne Objekte haben die spezifischen Raumkurven einen gleichförmigen bzw. regelmäßigen Verlauf. Ungleichförmigkeiten bzw. Störungen oder Abweichungen im Verlauf einer Punktfolge sind deshalb Indizien für die Existenz von weiteren magnetisierbaren Objekten im Bereich des Drehfeldes. Die ermittelten Raumkurven widerspiegeln eine durch die Rotation des Primärfeldes bedingte Polwanderung am oder im magnetisierbaren Objekt 19 und fuhren zu speziellen Mustern, z.B. in Gestalt von Schnittpunkten. Auf diese Weise sind bereits ohne weitere Variation der Messparameter, d.h. ohne Verlagerung der Drehachse Y-Y des Permanentmagneten 13 bezüglich des Objektes 19 Aspekte zur Struktur des Objektes 19 bezüglich des Primärfeld- und / oder Sensorkoordinatensystems und zur Geometrie des magnetisierbaren Objektes erkennbar und messbar.
Da der Magnetfeldsensor 15 die aufeinander folgenden Streufeldsignale des magnetisierbaren Objektes 19 den bekannten, entsprechenden Winkelstellungen des rotierenden Primärfeldes respektive dessen Stärke zuordnen kann, können die in einer Folgeperiode der Drehung gemessenen Streufeldsignale entsprechend den jeweiligen Winkelstellungen der vorangehenden Drehung eindeutig zugeordnet werden. Findet zwischen aufeinanderfolgenden 360°-Drehungen des Permanentmagneten 13 keine Ortsveränderung statt, so kann die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Messung bspw. durch Mittelung der gewonnenen Raumkurven erhöht werden.
Bei einer definierten Ortsveränderung der Drehachse Y-Y des Permanentmagneten 13 ändert sich die Primärfeldstärke und -richtung an einem fixen Ort des Streufeldobjektes und die ermittelten Raumkurven variieren in Abhängigkeit vom Ort der Feldgeber/Sensoreinheit, bspw. des Moduls 18. Außerdem erfolgt die Messung des Streufeldobjektes aus einer anderen Richtung. Dadurch ist es möglich, beliebig zueinander stehende Streufeldobjekte/Strukturen perspektiv aufzulösen. Durch die Verkettung der Raumkurven über die verschiedenen Orte bilden sich im Bewegungsverlauf spezifische virtuelle geometrische Oberflächen (Bewegungskörper) heraus.
Ferner kann die Orientierung der Drehachse Y-Y des Permanentmagneten 13 zum Streufeldobjekt 19 durch Verkippung variiert werden. Dadurch ändert sich der Primärfeldbereich (Stärke und Richtung), der einen fixen Ort des Streufeldobjektes überstreicht, und die in der Auswerteeinheit 16 ermittelten Raumkurven variieren in Abhängigkeit vom Verkippungswinkel der Feldgeber/Sensoreinheit. Durch die Verkettung der Raumkurven über die verschiedenen Verkippungswinkel bilden sich im Bewegungsverlauf ebenfalls spezifische virtuelle geometrische Oberflächen (Verkippungskörper) heraus. Damit können Objekte form-, läge- und strukturbezogen aufgelöst und vermessen werden.
Weiterhin kann die Orientierung der Drehachse Y-Y des Permanentmagneten 13 bezüglich seiner Magnetisierungsgeometrie variiert werden. Auch dadurch ändert sich der Primärfeldbereich (Stärke und Richtung) der einen fixen Ort des Streufeldobjektes 19 überstreicht. Die ermittelten Raumkurven variieren in Abhängigkeit von der Richtung
der Drehachse Y-Y des Permanentmagneten 13. Durch die Verkettung der Raumkurven über die verschiedenen Richtungen der Drehachse Y-Y bilden sich im Bewegungsverlauf wiederum spezifische virtuelle geometrische Oberflächen (Achsrichtungskörper) heraus. Die vorstehend genannten Variationen sind sowohl für die gesamte Feldgeber-/Sensoreinheit als auch für separate Feldgeber und Magnetfeldsensoren anwendbar. Durch konkrete Kombinationen der vorstehend genannten Variationsmöglichkeiten kann im Rahmen der Primärfeldgeometrie für jeden Punkt im Messbereich ein definierter Primärfeldzustand eingestellt werden. Dieser Zustand führt im Umkehrschluss bei definierter Geometrie und Position des Streufeldobjektes 19 zu validierbaren resultierenden Feldwerten am Ort des Magnetfeldsensors 15. Durch die Analyse der durch die Variation der Messparameter (Ort, Orientierung der Drehachse des Permanentmagneten zum Streufeldobjekt, Orientierung der Drehachse des Permanentmagneten bezüglich seiner Magnetisierungsgeometrie) entstehenden virtuellen geometrischen Oberflächen (Bewegungskörper, Verkippungskörper, Achsrichtungskörper) ist die Bestimmung der Position, Lage/Orientierung, Geometrie sowie weiterer objektspezifischer Eigenschaften wie bspw. Tiefe, Durchmesser, Volumen möglich. Dies kann Vorzugsweise durch direkte Rückrechnung, durch Vergleich mit Mustern für die virtuellen geometrischen Oberflächen sowie durch geometrie- und perspektiv-basierte Verfahren und Algorithmen (z.B. Schnittbildverfahren, Quasi-Schnittbildverfahren, Triangulation, tomografϊsche Messmethoden etc.) wie auch mittels statistischer Verfahren in einer Auswerteeinheit 16 erfolgen. Dabei hängt die Ergebnisgenauigkeit wie auch der Analyseaufwand sowohl von der Anzahl der Magnetfeldsensoren, der Messfrequenz, der Sensoreinheit (Messpunkte pro 360°-Drehung) als auch von der Anzahl der ermittelten virtuellen Raumkurven (Anzahl der 360°-Drehungen bei fixen Messparametern) und der Variationsdichte der unterschiedlichen Messparameter (Anzahl unterschiedlicher Orte, Verkippungswinkel, Drehachsenrichtungen und deren Auflösung) ab. Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfϊndungswesentlich sein.
Bezugszeichenliste
10 Gehäuse
11 Energiequelle (Akku, Batterie, Netz)
12 Motor s 13 Permanentmagnet
14 Kompensationseinrichtung
15 Magnetfeldsensor (Magnetometer)
16 Auswerteeinheit
17 Welle lo 18 Modul
19 Objekt, Baustahl
20 Betonkörper
21 Prisma
22 Spule i 5 23 Vormagnetisierung des Permanentmagneten
131 Drehrichtungspfeil
132 Quader
133 Zylinder ω 134 Ring
135 Rotationskörper
191, 192, 193 Baustähle
194 Stabilisierungsarmierung
201 Oberfläche
25 0 polfreie, unmagnetische Zone
Sonderdarstellungen h Beginn der Entmagnetisierung
H magnetische Feldstärke
1 Abstand
50 N, S (entgegengesetzte) Magnetpole
V Versuche
Y-Y Drehachse x, y, z Koordinatensystem 5