1. Johdanto ja historiaa

Teollisuuden metallinilmaisimen toiminta perustuu sähkömagneettiseen kenttäteoriaan, jonka isänä pidetään skotlantilaista fyysikkoa James Clerk Maxwellia (1831 – 1879).

Maxwell valmistui Cambridgen yliopistosta vuonna 1854 ja valmistumisensa jälkeen hän työskenteli Marischal Collegessa Skotlannissa ja King’s Collegessa Lontoossa ja viimein vuonna 1871 hän sai kutsun takaisin Cambridgeen ja nimityksen kokeellisen fysiikan professoriksi. Sähkö- ja magneettisuureiden käyttäytymistä ja keskinäistä riippuvuutta hän tutki vuosina 1864 – 1879 eli valmistumisestaan aina elämänsä loppuun asti.

Tutkimusten tuloksena syntyi yksi fysiikan tärkeimmistä ja perustavanlaatuisista teorioista: Maxwellin sähkömagneettinen kenttäteoria. Sen ensimmäisen version Maxwell esitti artikkelissaan ”A dynamic theory of the electromagnetic field” vuonna 1864 ja myöhemmin vuonna 1873 julkaistussa teoksessa “Treatise on Electricity and Magnetism”. Koska Maxwell ei tuntenut nykyaikaista vektorilaskentaa, hän esitti yhtälöt vaivalloisessa komponenttimuodossa, jolloin koko teorian kuvaamiseen tarvittiin 20 yhtälöä.

Treatise-teos oli melko vaikeatajuinen sen ajan fyysikoille, mutta sitä ymmärsivät muiden muassa Heinrich Hertz ja Oliver Heaviside, jotka jatkoivat teorian kehittämistä. Heaviside teki suuren työn teorian yksinkertaistamiseksi ja nykyään teoria voidaan kirjoittaa vektorikenttien avulla vain neljällä yhtälöllä. Maxwellin yhtälöt jäivät elämään, koska ne kuvaavat klassisen sähkömagnetismin kaikkia ilmiöitä ja ovat nykyään kaiken sähkömagnetismin perusta. Ottaen huomioon sähkömagneettisten aaltojen merkityksen nykypäivän elämässä voidaan Maxwellia pitää eräänä tärkeimmistä sähkötekniikkaan vaikuttaneista tutkijoista. Nobel-fyysikko Richard Feynmanin mukaan Maxwellin yhtälöiden löytäminen oli ihmiskunnan kehityksen kannalta 1800-luvun tärkein tapahtuma. Kun englantilainen Physics World -lehti teki vuonna 2004 lukijakyselyn maailman tärkeimmistä yhtälöistä, Maxwellin yhtälöt voittivat ja sellaiset kandidaatit kuin E=mc² ja 1+1=2 kärsivät selvän tappion.

2. Teollisuuden metallinilmaisimen rakenne ja toimintaperiaate

Teollisuuden metallinilmaisin (QDF102) muodostuu metallinilmaisimen kelan lähetinkäämistä- ja kahdesta vastaanotinkäämistä, lähetin/vastaanotin-elektroniikasta (TR-yksikkö) sekä elektroniikkayksiköstä.

Kun lähetinkäämiin (T) syötetään vaihtovirta, synnyttää käämi ympäristöönsä muuttuvan magneettikentän. Tämä primäärikenttä indusoi johtaviin kappaleisiin sähkövirtoja niihin alueisiin, joissa magneettivuo muuttuu (esim. liikkuva metallikappale). Näitä sähkövirtoja kutsutaan pyörrevirroiksi. Pyörrevirrat ovat sitä voimakkaampia, mitä paremmin metalli johtaa sähköä tai mitä enemmän metallia on. Nämä pyörrevirrat saavat aikaan oman sekundäärisen magneettikenttänsä, jonka vaikutusta metallinilmaisimen kaksi vastaanotinkäämiä (R1 ja R2) mittaavat. Ilmiöt ovat kuvattu Maxwellin yhtälöissä.

Kuvissa 1 ja 2 on kahden rakenteeltaan erityyppisen teollisuuden metallinilmaisimen ilmaisinkelan periaate. Ilmaisinkelat on rakennettu siten, että vastaanotinkäämien signaali on yhtä suuri, mutta polariteetiltaan vastakkainen silloin, kun kelan ympäristössä on symmetrisesti yhtä paljon metallia. Kelojen metallirungon signaali voidaan näin kumota. Kelan kenttään saapuvat metallikappaleet saavat aikaan epätasapainon, joka johtaa kappaleen havaitsemiseen.

Teollisuuden metallinilmaisimen levykeloissa vastaanotinkäämit (R1 ja R2) ovat symmetrisesti lähetinkäämin (T) sisällä kelan yläpinnan alapuolella olevassa tasossa (Kuva 1.) ja aukkokeloissa ne ovat sijoitettu symmetrisesti kelan aukon keskellä olevan lähetinkäämin molemmille puolille (Kuva 2.)

Metallinilmaisimen kelan metallirungon tehtävänä on saada primäärikenttä suuntautumaan tiettyyn avaruuden alueeseen, jossa kelan halutaan ilmaisevan metallia. Kela on ”suojattu” sellaisia metallikappaleita vastaan, jotka sijaitsevat metallirungon toisella puolella nk. metallittomuusalueen ulkopuolella. Jokaiselle kelalle määritellään metallittomuusalue omalla datasivullaan. Hyvin suunniteltu metallirunko mahdollistaa metallinilmaisimen ilmaisinkelan asentamisen kohteisiin, joissa on runsaasti metallirakenteita ilman, että metallinilmaisinjärjestelmän toiminta häiriintyy.

3. Teollisuuden metallinilmaisimen lähetin- ja vastaanotinyksikkö (TR-yksikkö)

TR-yksikön tehtävänä on syöttää metallinilmaisimen ilmaisinkelan lähetinkäämiin (T) primäärikentän muodostava sähkövirta ja vahvistaa vastaanottokäämien (R1 ja R2) differentiaalinen signaali siten, että se voidaan syöttää elektroniikkaosaan käsiteltäväksi.
Kuvassa 3. on esitetty TR-yksikön toimintaperiaate.

4. Teollisuuden metallinilmaisimen elektroniikkayksikkö

Metallinilmaisimen elektroniikkayksikön tehtävänä on prosessoida TR-yksikön antama signaalitieto ja hälyttää ilmaisinkelojen havaitessa metallia prosessissa. Elektroniikkayksikkö voi myös kerätä historiadataa ilmaisutapahtumista sekä sisältää monipuolisen automaattisen vikailmaisun, jos jokin tarkkailtava suure on liukunut pois hyväksyttävältä alueelta.

Koska teollisuuden metallinilmaisin (QDF102) on oikeastaan metallinilmaisinjärjestelmä, jossa identtisellä elektroniikkayksiköllä ohjataan ja valvotaan hyvin erityyppisiä ilmaisinkeloja, joiden ilmaisuherkkyys vaihtelee. Tästä syystä elektroniikkayksikössä on manuaalinen herkkyyden säätöominaisuus, jolla voidaan säätää optimaalinen ilmaisuherkkyys tuotantoprosessin mukaisesti. Kuvassa 4. on esitetty teollisuuden metallinilmaisimen elektroniikkayksikkö.

Katso lisätietoja ja datalehtiä Quality Devices Finland Oy:n teollisuuden metallinilmaisimista yrityksen web-sivuilta.