Detector de metales

El primer detector de metales fue probablemente el detector de metales de conducción eléctrica simple alrededor de 1830. ^{[ 2 ]} La conducción eléctrica también se utilizó para localizar cuerpos de mineral metálico midiendo la conductividad entre varillas de metal clavadas en el suelo.

En 1841, el profesor Heinrich Wilhelm Dove publicó un invento que denominó "inductor diferencial". ^{[ 3 ]} Se trataba de una balanza de inducción de cuatro bobinas, con dos tubos de vidrio, cada uno con dos solenoides de alambre de cobre bien aislados enrollados a su alrededor. Botellas de Leyden cargadas (condensadores de alto voltaje) se descargaban a través de las dos bobinas primarias; esta sobretensión inducía un voltaje en las bobinas secundarias. ^{[ 4 ]} Cuando las bobinas secundarias se conectaban en oposición, los voltajes inducidos se cancelaban, como lo confirmó el profesor sujetando los extremos de las bobinas secundarias. Al colocar un trozo de metal dentro de uno de los tubos de vidrio, el profesor recibía una descarga. Este fue, por lo tanto, el primer detector de metales por inducción magnética y el primer detector de metales por inducción de pulsos.

En 1862, el general italiano Giuseppe Garibaldi fue herido de bala en el pie. Era difícil distinguir entre bala, hueso y cartílago. Por ello, el profesor Favre de Marsella construyó rápidamente una sonda sencilla que se insertaba en la trayectoria de la bala. Tenía dos puntas afiladas conectadas a una batería y una campana. El contacto con el metal completaba el circuito y hacía sonar la campana. ^{[ 5 ]} En 1867, el Sr. Sylvan de Wilde tenía un detector similar y un extractor también conectado a una campana. ^{[ 6 ]} En 1870, Gustave Trouvé , un ingeniero eléctrico francés, también tenía un dispositivo similar, aunque su zumbador emitía un sonido diferente para el plomo y el hierro. ^{[ 7 ]} Los localizadores eléctricos de balas se utilizaron hasta la llegada de los rayos X.

A finales de 1878 y principios de 1879, el profesor (de música) David Edward Hughes publicó sus experimentos con la balanza de inducción de 4 bobinas. ^{[ 8 ]} Utilizó su reciente invención, el micrófono, y un reloj de pulsera para generar pulsos regulares, y un receptor telefónico como detector. Para medir la intensidad de las señales, inventó una balanza de inducción coaxial de 3 bobinas que denominó "sonómetro eléctrico". ^{[ 9 ]} Hughes contribuyó en gran medida a popularizar la balanza de inducción, lo que rápidamente dio lugar a dispositivos prácticos que podían identificar monedas falsificadas. En 1880, el Sr. J. Munro, CE, sugirió el uso de la balanza de inducción de 4 bobinas para la prospección de metales. ^{[ 10 ]} La balanza de inducción coaxial de 3 bobinas de Hughes también se utilizaría en la detección de metales.

En julio de 1881, Alexander Graham Bell utilizó inicialmente una balanza de inducción de cuatro bobinas para intentar localizar una bala alojada en el pecho del presidente estadounidense James Garfield . ^{[ 11 ]} Tras numerosos experimentos, el mejor alcance de detección que logró fue de tan solo 5 centímetros (2 pulgadas). Posteriormente, empleó su propio descubrimiento anterior, la balanza de inducción de dos bobinas parcialmente superpuestas, y el alcance de detección aumentó a 12 centímetros (5 pulgadas). Sin embargo, el intento siguió siendo infructuoso, ya que la cama de muelles metálicos sobre la que yacía Garfield confundía al detector. La balanza de inducción de dos bobinas de Bell evolucionaría posteriormente hasta convertirse en la popular bobina doble D.

El 16 de diciembre de 1881, el capitán Charles Ambrose McEvoy solicitó la patente británica n.° 5518, Aparato para la búsqueda de torpedos sumergidos, etc., que fue concedida el 16 de junio de 1882. Su solicitud de patente estadounidense n.° 269439 del 12 de julio de 1882 fue concedida el 19 de diciembre de 1882. ^{[ 12 ]} Se trataba de una balanza de inducción de cuatro bobinas para detectar torpedos metálicos sumergidos, buques de hierro y similares. ^{[ 13 ]} Dado el tiempo de desarrollo que requirió, este podría haber sido el primer dispositivo conocido construido específicamente como detector de metales mediante inducción magnética.

En 1892, George M. Hopkins describió una balanza de inducción ortogonal de 2 bobinas para la detección de metales. ^{[ 14 ]}

En 1915, el profesor Camille Gutton desarrolló una balanza de inducción de cuatro bobinas para detectar proyectiles sin explotar en terrenos agrícolas de antiguos campos de batalla en Francia. ^{[ 15 ]} Curiosamente, se utilizaron ambos pares de bobinas para la detección. ^{[ 16 ]} La foto de 1919 a la derecha muestra una versión posterior del detector de Gutton.

El desarrollo moderno del detector de metales comenzó en la década de 1920. Gerhard Fischer había desarrollado un sistema de radiogoniometría para una navegación precisa. El sistema funcionaba a la perfección, pero Fischer observó anomalías en zonas con yacimientos minerales. Pensó que si un haz de radio podía distorsionarse por la presencia de metal, entonces sería posible diseñar un dispositivo que detectara metales mediante una bobina de búsqueda que resonara a una frecuencia de radio. En 1925 solicitó y obtuvo la primera patente para un detector electrónico de metales. Si bien Gerhard Fischer fue el primero en obtener una patente para este tipo de detector, el primero en solicitarla fue Shirl Herr, un empresario de Crawfordsville, Indiana. Su solicitud para un detector de metales ocultos portátil se presentó en febrero de 1924, pero no se patentó hasta julio de 1928. Herr ayudó al líder italiano Benito Mussolini a recuperar objetos que quedaron de las galeras del emperador Calígula en el fondo del lago Nemi , Italia, en agosto de 1929. La invención de Herr fue utilizada por la Segunda Expedición Antártica del almirante Richard Byrd en 1933, cuando se utilizó para localizar objetos dejados por exploradores anteriores. Era eficaz hasta una profundidad de ocho pies. ^{[ 17 ]} Sin embargo, fue el teniente Józef Stanisław Kosacki , un oficial polaco adscrito a una unidad estacionada en St Andrews , Escocia, durante los primeros años de la Segunda Guerra Mundial , quien perfeccionó el diseño hasta convertirlo en un detector de minas polaco práctico . ^{[ 18 ]} Estas unidades todavía eran bastante pesadas, ya que funcionaban con tubos de vacío y necesitaban baterías separadas.

El diseño inventado por Kosacki se utilizó ampliamente durante la Segunda Batalla de El Alamein, cuando se enviaron 500 unidades al Mariscal de Campo Montgomery para despejar los campos minados de los alemanes en retirada, y posteriormente se utilizó durante la invasión aliada de Sicilia , la invasión aliada de Italia y la invasión de Normandía . ^{[ 19 ]}

Dado que la creación y el perfeccionamiento del dispositivo fueron una operación de investigación militar en tiempos de guerra, el hecho de que Kosacki creara el primer detector de metales práctico se mantuvo en secreto durante más de 50 años.

Muchos fabricantes de estos nuevos dispositivos introdujeron sus propias ideas en el mercado. White's Electronics de Oregón comenzó en la década de 1950 construyendo un contador Geiger llamado Oremaster. Otro líder en tecnología de detectores fue Charles Garrett, pionero del oscilador de frecuencia de batido (BFO ). Con la invención y el desarrollo del transistor en las décadas de 1950 y 1960, los fabricantes y diseñadores de detectores de metales crearon máquinas más pequeñas y ligeras con circuitos mejorados, que funcionaban con baterías pequeñas. Surgieron empresas en todo Estados Unidos y Gran Bretaña para satisfacer la creciente demanda. La inducción de frecuencia de batido requiere el movimiento de la bobina del detector, de forma similar a como el movimiento de un conductor cerca de un imán induce una corriente eléctrica.

Los modelos más modernos y avanzados están totalmente informatizados, utilizando tecnología de circuitos integrados para permitir al usuario configurar la sensibilidad, la discriminación, la velocidad de seguimiento, el volumen umbral, los filtros de muesca, etc., y guardar estos parámetros en la memoria para su uso futuro. En comparación con hace apenas una década, los detectores son más ligeros, tienen mayor alcance, consumen menos batería y discriminan mejor.

Los detectores de metales de última generación incorporan tecnologías inalámbricas avanzadas para auriculares, conexión a redes Wi-Fi y dispositivos Bluetooth . Algunos también utilizan tecnología GPS integrada para registrar la ubicación de la búsqueda y la de los objetos encontrados. Otros se conectan a aplicaciones para smartphones para ampliar aún más su funcionalidad.

El mayor avance técnico en detectores fue el desarrollo de un sistema de inducción sintonizable. Este sistema consta de dos bobinas sintonizadas electromagnéticamente. Una bobina actúa como transmisor de radiofrecuencia (RF) y la otra como receptora; en algunos casos, pueden sintonizarse entre 3 y 100  kHz. Cuando hay metal cerca, se detecta una señal debido a las corrientes parásitas inducidas en el metal. La capacidad de los detectores para diferenciar metales radicaba en que cada metal presenta una respuesta de fase distinta al ser expuesto a corriente alterna: las ondas más largas (baja frecuencia) penetran más profundamente en el suelo y seleccionan objetivos de alta conductividad como la plata y el cobre; las ondas más cortas (alta frecuencia) penetran menos y seleccionan objetivos de baja conductividad como el hierro. Desafortunadamente, la alta frecuencia también es sensible a la interferencia de la mineralización del suelo . Esta selectividad o discriminación permitió desarrollar detectores capaces de detectar selectivamente los metales deseados, ignorando los no deseados.

Incluso con discriminadores, seguía siendo un desafío evitar metales indeseables, ya que algunos presentan respuestas de fase similares (por ejemplo, el papel de estaño y el oro), especialmente en forma de aleación. Por lo tanto, una desconexión inadecuada de ciertos metales aumentaba el riesgo de pasar por alto un hallazgo valioso. Otra desventaja de los discriminadores era que reducían la sensibilidad de los equipos.

Los diseñadores de bobinas también experimentaron con diseños innovadores. El sistema original de bobina de equilibrio de inducción consistía en dos bobinas idénticas colocadas una encima de la otra. Compass Electronics produjo un nuevo diseño: dos bobinas en forma de D, montadas espalda con espalda para formar un círculo. El sistema se utilizó ampliamente en la década de 1970, y tanto el tipo concéntrico como el de doble D (o de escaneo amplio, como se les conoció) tuvieron sus seguidores. Otro avance fue la invención de detectores que podían anular el efecto de la mineralización del suelo. Esto proporcionaba mayor profundidad, pero era un modo no discriminatorio. Funcionaba mejor a frecuencias más bajas que las utilizadas anteriormente, y  se descubrió que las frecuencias de 3 a 20 kHz producían los mejores resultados. Muchos detectores de la década de 1970 tenían un interruptor que permitía al usuario alternar entre el modo discriminatorio y el no discriminatorio. Desarrollos posteriores alternaban electrónicamente entre ambos modos. El desarrollo del detector de equilibrio de inducción culminaría en el detector de movimiento, que comprobaba y equilibraba constantemente la mineralización de fondo.

Al mismo tiempo, los desarrolladores estaban considerando utilizar una técnica diferente en la detección de metales llamada inducción de pulsos. ^{[ 20 ]} A diferencia del oscilador de frecuencia de batido o las máquinas de balanza de inducción, que utilizaban una corriente alterna uniforme a baja frecuencia, la máquina de inducción de pulsos (PI) simplemente magnetizaba el suelo con una corriente momentánea relativamente potente a través de una bobina de búsqueda. En ausencia de metal, el campo decaía a una velocidad uniforme, y el tiempo que tardaba en caer a cero voltios podía medirse con precisión. Sin embargo, si había metal presente cuando la máquina se activaba, se inducía una pequeña corriente parásita en el metal, y el tiempo de decaimiento de la corriente detectada aumentaba. Estas diferencias de tiempo eran mínimas, pero la mejora en la electrónica permitió medirlas con precisión e identificar la presencia de metal a una distancia razonable. Estas nuevas máquinas tenían una gran ventaja: eran prácticamente inmunes a los efectos de la mineralización , y ahora se podían localizar anillos y otras joyas incluso bajo arena negra altamente mineralizada . La incorporación del control informático y el procesamiento digital de señales ha mejorado aún más los sensores de inducción de pulsos.

Una ventaja particular del detector de inducción de pulsos (PI) es su capacidad para ignorar los minerales presentes en suelos altamente mineralizados; en algunos casos, el alto contenido mineral incluso puede mejorar el funcionamiento del detector PI. Mientras que un detector VLF se ve afectado negativamente por la mineralización del suelo, una unidad PI no.

Los detectores de metales se utilizan ampliamente en arqueología; el primer uso documentado fue por el historiador militar Don Rickey en 1958, quien utilizó uno para detectar las líneas de tiro en Little Big Horn . Sin embargo, los arqueólogos se oponen al uso de detectores de metales por parte de "buscadores de artefactos" o "saqueadores de yacimientos", cuyas actividades perturban los sitios arqueológicos. ^{[ 21 ]} El problema con el uso de detectores de metales en yacimientos arqueológicos o por aficionados que encuentran objetos de interés arqueológico es que se pierde el contexto en el que se encontró el objeto y no se realiza un estudio detallado de su entorno. Fuera de los yacimientos conocidos, la importancia de los objetos puede no ser evidente para un aficionado a los detectores de metales. ^{[ 22 ]}

Existen diversos tipos de actividades de ocio que implican el uso de detectores de metales:

• El tiro a monedas se centra específicamente en las monedas. ^{[ 34 ]} Algunos tiradores de monedas realizan investigaciones históricas para localizar sitios con potencial para contener monedas históricas y coleccionables.
• La prospección consiste en buscar metales valiosos como oro , plata y cobre en sus formas naturales, como pepitas o escamas. ^{[ 35 ]}
• Los detectores de metales también se utilizan para buscar objetos valiosos fabricados por el hombre, desechados o perdidos, ^{[ 36 ]} como joyas, teléfonos móviles, cámaras y otros dispositivos. Algunos detectores de metales son resistentes al agua, lo que permite al usuario buscar objetos sumergidos en zonas de aguas poco profundas.
• La detección de metales en general es muy similar a la búsqueda de monedas, con la diferencia de que el usuario busca cualquier tipo de artefacto histórico. Los detectoristas pueden dedicarse a la preservación de artefactos históricos y, a menudo, poseen una considerable experiencia. Monedas, balas, botones, cabezas de hacha y hebillas son solo algunos de los objetos que suelen encontrar los buscadores de reliquias; en general, el potencial es mucho mayor en Europa y Asia que en muchas otras partes del mundo. Entre los hallazgos más valiosos solo en Gran Bretaña se incluyen el Tesoro de Staffordshire de oro anglosajón , vendido por 3.285.000 libras esterlinas, el Torc celta de oro de Newark , la Copa Ringlemere , el Tesoro de West Bagborough , el Tesoro de Milton Keynes , el Casco romano de Crosby Garrett, el Tesoro de Stirling , el Tesoro de Collette y miles de hallazgos más pequeños.
• La búsqueda de monedas o joyas perdidas en la playa consiste en buscarlas. Esta actividad puede ser tan sencilla o tan compleja como uno desee. Muchos buscadores de tesoros en la playa también se familiarizan con los movimientos de las mareas y la erosión costera .
• Los clubes de detección de metales existen para que los aficionados aprendan de otros, muestren los hallazgos de sus búsquedas y aprendan más sobre este pasatiempo.

Los aficionados suelen utilizar su propia jerga de detección de metales cuando hablan de su afición con otros. ^{[ 37 ]}

En 1926, dos científicos de Leipzig , Alemania, instalaron un recinto de paso en una fábrica para asegurarse de que los empleados no salieran con objetos metálicos prohibidos. ^{[ 39 ]}

Una serie de secuestros de aeronaves llevó a Estados Unidos en 1972 a adoptar la tecnología de detectores de metales para inspeccionar a los pasajeros de las aerolíneas, utilizando inicialmente magnetómetros diseñados originalmente para operaciones de tala para detectar púas en los árboles . ^{[ 40 ]} La empresa finlandesa Outokumpu adaptó detectores de metales de minería en la década de 1970, todavía alojados en un gran tubo cilíndrico, para fabricar un detector de seguridad comercial de paso. ^{[ 41 ]} El desarrollo de estos sistemas continuó en una empresa derivada y los sistemas de la marca Metor Metal Detectors evolucionaron en la forma del pórtico rectangular que ahora es estándar en los aeropuertos. Al igual que en los desarrollos en otros usos de detectores de metales, se utilizan sistemas de corriente alterna y de pulsos, y el diseño de las bobinas y la electrónica ha avanzado para mejorar la discriminación de estos sistemas. En 1995 aparecieron sistemas como el Metor 200 con la capacidad de indicar la altura aproximada del objeto metálico sobre el suelo, lo que permitió al personal de seguridad localizar más rápidamente la fuente de la señal. Los detectores de metales portátiles más pequeños también se utilizan para localizar con mayor precisión un objeto metálico en una persona.

Los detectores de metales industriales se utilizan en las industrias farmacéutica, alimentaria, de bebidas, textil, de la confección, del plástico, química, maderera, minera y de embalaje. La contaminación de los alimentos por fragmentos metálicos procedentes de maquinaria de procesamiento averiada durante el proceso de fabricación representa un grave problema de seguridad en la industria alimentaria. La mayoría de los equipos de procesamiento de alimentos están fabricados en acero inoxidable , y otros componentes de plástico o elastómeros pueden contener partículas metálicas incrustadas, lo que permite su detección. Por ello, los detectores de metales para este fin se utilizan ampliamente y se integran en la línea de producción.

Actualmente, en las fábricas de la industria textil, se realiza un análisis con detector de metales una vez que las prendas están completamente cosidas y antes de su empaquetado, para comprobar si presentan contaminación metálica (agujas, agujas rotas, etc.). Esto se hace por motivos de seguridad.

El detector de metales industrial fue desarrollado por Bruce Kerr y David Hiscock en 1947. La empresa fundadora Goring Kerr ^{[ 42 ]} fue pionera en el uso y desarrollo del primer detector de metales industrial. Mars Incorporated fue uno de los primeros clientes de Goring Kerr que utilizó su detector de metales Metlokate para inspeccionar barras de Mars .

El principio de funcionamiento básico de los detectores de metales industriales comunes se basa en un diseño de tres bobinas. Este diseño utiliza una bobina transmisora ​​AM ( modulación de amplitud ) y dos bobinas receptoras, una a cada lado del transmisor . El diseño y la configuración física de las bobinas receptoras son fundamentales para la detección de contaminantes metálicos muy pequeños, de 1  mm o menos. Actualmente, los detectores de metales modernos siguen utilizando esta configuración para la detección de metales extraños.

La configuración de la bobina crea una abertura por donde pasa el producto (alimentos, plásticos, productos farmacéuticos, etc.). Esta abertura permite que el producto entre y salga a través del sistema de tres bobinas, generando una señal igual pero reflejada en las dos bobinas receptoras. Las señales resultantes se suman, anulándose mutuamente. Fortress Technology innovó con una nueva función que permite que la estructura de bobinas de su modelo BSH ignore los efectos de la vibración, ^{[ 43 ]} incluso al inspeccionar productos conductores. ^{[ 44 ]}

Cuando se introduce un contaminante metálico en el producto, se produce una perturbación desigual que genera una señal electrónica muy débil. Tras la amplificación adecuada, se activa un dispositivo mecánico instalado en el sistema de transporte para retirar el producto contaminado de la línea de producción. Este proceso está completamente automatizado y permite que la fabricación continúe sin interrupciones.

En ingeniería civil, se utilizan detectores de metales especiales ( medidores de cobertura ) para localizar las barras de refuerzo dentro de las paredes.

El tipo más común de detector de metales es el detector portátil o el detector de bobina , que utiliza discos ovalados con bobinas de cobre integradas . La bobina de búsqueda funciona como sonda y debe moverse sobre el suelo para detectar posibles objetos metálicos enterrados. Cuando la bobina detecta objetos metálicos, el dispositivo emite una señal sonora a través de un altavoz o auricular. En la mayoría de los modelos, la información se muestra mediante un indicador analógico o digital.

Los detectores de metales fueron inventados y fabricados comercialmente por primera vez en Estados Unidos por Fisher Labs en la década de 1930; otras compañías como Garrett establecieron y desarrollaron los detectores de metales en términos de tecnología y características en las décadas siguientes.

El primer detector de metales demostró que los cambios de inductancia eran una técnica práctica para la detección de metales, y sirvió de prototipo para todos los detectores de metales posteriores.

Inicialmente, estas máquinas eran enormes y complejas. Tras la invención del triodo por Lee de Forest en 1907, los detectores de metales comenzaron a funcionar con tubos de vacío y se volvieron más sensibles, aunque seguían siendo bastante aparatosos. Uno de los primeros usos comunes de los detectores de metales, por ejemplo, fue la detección de minas terrestres y bombas sin explotar en varios países europeos después de la Primera y la Segunda Guerra Mundial.

El desarrollo de transistores , discriminadores, diseños modernos de bobinas de búsqueda y tecnología inalámbrica influyó significativamente en el diseño de los detectores de metales tal como los conocemos hoy: sistemas ligeros, compactos, fáciles de usar y de gran alcance. La invención de un dispositivo de inducción sintonizable fue el avance tecnológico más importante en detectores. Este método emplea dos bobinas sintonizadas para producir ruido acústico inducido electromagnéticamente . Una bobina actúa como transmisor de radiofrecuencia , mientras que la otra actúa como receptor; en algunos casos, estas bobinas pueden sintonizarse a frecuencias que van desde 3 hasta 100  kHz.

Debido a las corrientes parásitas inducidas en el metal, se detecta una señal cuando este está presente. El hecho de que cada metal tenga una respuesta de fase diferente al exponerse a la corriente alterna permitió a los detectores diferenciar entre metales. Las ondas más largas (de baja frecuencia) penetran más profundamente en el suelo y seleccionan objetivos de alta conductividad como la plata y el cobre , mientras que las ondas más cortas (de alta frecuencia) seleccionan objetivos de baja conductividad como el hierro . Desafortunadamente, la interferencia de la mineralización del suelo también afecta a las altas frecuencias. Esta selectividad o discriminación permitió el desarrollo de detectores capaces de detectar selectivamente los metales deseados.

Incluso con discriminadores, evitar metales indeseables resultaba difícil, ya que algunos presentan respuestas de fase similares (por ejemplo, el papel de estaño y el oro ), especialmente en forma de aleación. En consecuencia, descartar incorrectamente estos metales aumentaba la probabilidad de pasar por alto un descubrimiento valioso. Los discriminadores también tenían la desventaja de reducir la sensibilidad de los dispositivos.