La storia dei metal detectors

Di Roy T. Roberts

La teoria dell’elettromagnetismo fu dimostrata per primo dall’americano Joseph Henry e, separatamente, dall’inglese Michael Faraday nel 1831.

Henry eseguì con successo esperimenti di induzione elettromagnetica e autoinduzione, e pose le basi per la telegrafia, la telefonia e la radio. Egli migliorò i propri esperimenti sull’induzione usando un avvolgimento piatto di filo elettrico isolato; la prima bobina!

L’influenza esercitata sull’induzione da una massa metallica fu il soggetto di numerosi esperimenti di vari scienziati che portò alla scoperta del principio di bilanciamento degli effetti di induzione in una sezione di circuito da parte di un effetto uguale e contrario prodotto da un’altra sezione. La prima forma di bilanciamento ad induzione (Induction Balance) per questo scopo, sembra essere stata ideata in Germania dal prof. Dove, intorno al 1841. Nello stesso periodo, un apparato simile fu ideato in America dal prof. Henry Rowland.

Nel 1876, il prof. Alexander Graham Bell pose la sua attenzione sull’effetto di bilanciamento ad induzione per via del problema dei disturbi di rumore prodotti sul telefono a causa si strumenti di telegrafia che funzionavano vicino ai fili conduttori per la telefonia. Il problema fu risolto usando due conduttori invece di uno solo, in modo che le correnti indotte in un conduttore fossero uguali e contrarie a quelle indotte nell’altro; in pratica fu realizzato un bilanciamento ad induzione che rese i circuiti telefonici più silenziosi.

Questo metodo fu brevettato in Inghilterra da Bell nel 1877 e durante l’inverno del 1877-1878 egli fu impegnato a Londra con esperimenti ad esso relativi.

Egli trovò che una volta che veniva raggiunto il punto di “silenziamento” nei due conduttori, facendo passare un pezzo di metallo nel campo di induzione il telefono emetteva un suono. Quando una moneta di argento del formato di una mezza corono o di un fiorino veniva fatta passare attraverso le facce di due bobine parallele, il telefono emetteva tre suoni.

Un conoscente inglese del prof. Bell, il professore di musica Daniel Hughes, eseguì esperimenti sul bilanciamento ad induzione nel 1878 e realizzò nel 1879 il più promettente dispositivo a bilanciamento ad induzione, usando 4 bobine ed un microfono elettrico di sua recentissima invenzione. Uso il ticchettio di un orologio per creare un disturbo elettrico nel circuito contenente 2 bobine principali e 2 bobine connesse ad un ricevitore telefonico. Quando un pezzo di metallo veniva portato vicino ad una coppia di bobine, il bilanciamento veniva modificato ed il ticchettio dell’orologio veniva udito sul ricevitore.

Quando Bell tornò in America pubblicò nell’agosto del 1879 un articolo dal titolo. “Nuovo metodo di esplorazione del Campo di Induzione di bobine piatte”, come richiesto da da Gardner Hubbard che chiedeva la possibilità di rilevare depositi di metallo di valore nel terreno.

Il 2 Luglio 1881 il Presidente Garfield fu ferito con un proiettile alla schiena da un sicario. Nei giorni successivi il mondo intero attese con speranza e paura poiché nessuno poteva prevedere la fine della crisi finché non si fosse trovato il proiettile nel corpo del presidente. Bell che si trovava proprio a Washington in quei giorni, offrì il proprio aiuto per cercare di risolvere il problema. Egli fece alcuni veloci esperimenti preliminari.

L’11 luglio 1881, Gorge Hopkins del Scientific American magazine pubblicò i suoi risultati usando e migliorando il metodo di bilanciamento ad induzione di Hughes.

Bell, assistito da Sumner Tainter, contattato Hopkins ed insieme a Hughes, Rowland e John trowbridge di Harvard, realizzarono una rete per collaborare alla realizzazione di un dispositivo in grado di rilevare il proiettile. Essi sperimentarono diversi tipi di bilanciamenti, lunghezze e diametri delle bobine, e finalmente aggiunsero un condensatore al circuito, fino a che riuscirono a rilevare un proiettile in piombo simile a quello nel corpo del Presidente, a circa 5 centimetri, in una mano serrata.

Il 26 luglio, Bell portò il suo apparato alla Casa Bianca. Dopo le regolazioni egli udì un crepitìo e scoprì che il dispositivo sembrava danneggiato. Egli fallì nelle rilevazione del proiettile. Solo più tardi si capì che il condensatore era stato collegato solo ad una delle due bobine primarie. Bell tornò dal presidente in agosto ed udì un flebile suono sopra una ampia parte del corpo del Presidente Garfield. Il giorno dopo capì che erano le molle di acciaio del materasso. Il Presidente morì il 19 settembre. L’autopsia dimostrò che il proiettile era ad una profondità non rilevabile dall’apparato di Bell.

Nell’ottobre del 1881, Bell fu a Parigi, dove dimostrò con successo il bilanciamento ad induzione e pubblico l’articolo “Un metodo di bilanciamento ad induzione per la rilevazione indolore di masse metalliche nel corpo umano”

Il suo apparato poteva rilevare un proiettile a 6-13 cm. se messo di piatto, e ad 2,5 cm. se messo di taglio.

In conclusione, egli stabilì che la profondità di un oggetto non può essere determinata se non si conosce la forma e l’angolo di proiezione.

L’attenzione di Bell si spostò su altri lavori fino al dicembre del 1882, quando sperimentò con una bobina per prospezione di vene metalliche nel terreno la rilevazione di linee telegrafiche sotterranee.

Nel febbraio del 1887, il Dr. John Girdner di New York pubblicò il risultato dei suoi esperimenti nella rilevazione di masse metalliche nel corpo umano. Il suo apparato consisteva di una batteria bicromica a sei celle, un normale interruttore con circa 600 interruzioni al secondo (600 Hz). Le bobine di ricerca erano sistemate in un telaio di legno che venne chiamato “the explorer”, e le altre bobine vennero chiamate “bobine di regolazione”. Un proiettile veniva rilevato a 15 cm. nel corpo umano, ma meno nel terreno.

Alla fine del secolo, il Capitano McEvoy, che aveva eseguito esperimenti con gli apparati di Hughes, ridusse il metal detector ad una forma completamente nuova e pratica con il suo detector sottomarino. Un contenitore impermeabile portatile conteneva la bobina di regolazione, l’oscillatore, una batteria a due celle che poteva essere rimpiazzata da un piccolo dispositivo magneto-elettrico per produrre corrente alternata ed un auricolare telefonico. Un cavo isolato portava il collegamento ad una coppia di bobine. Rondelle di gomma, viti d’avorio e manopole di ebanite, furono usate per ridurre le interferenze con le parti metalliche. Quando la testa di ricerca veniva immersa nell’acqua e trainata sul fondo, arrivando in prossimità di una massa metallica come un siluro, una catena o un cavo sottomarino,il suono, che fino a quel momento era molto flebile, diveniva improvvisamente forte e chiaro.

Durante questo periodo, Gorge Hopkins inventò un rilevatore di minerali metalliferi elettrico, usando una bobina di induzione posizionata verticalmente, senza  bilanciamento induttivo. Egli notò che più grande era la bobina, più grande la corrente e più grande la profondità di penetrazione. Una bobina da 6 o 8 pollici poteva rilevare minerali metallici ad alcuni pollici sotto la superficie.

Durante la Prima Guerra Mondiale qualche attenzione era stata rivolta al rilevamento di bombe inesplose, ma non si hanno notizie di strumenti impiegati in questo campo. Nel 1915, il francese M.C. Gutton sperimentò un dispositivo, ma non riuscì ad ottenere un perfetto silenziamento. Il suo apparato consisteva di due trasformatori nella forma di 5 bobine connesse con un circuito a Ponte di Maxwell. Nel 1922, l’ufficio americano Bureau of Standard pubblicò l’articolo “Bilanciamento a Induzione per la rilevazione di masse metalliche”, dopo prove fatte con l’apparato di Gutton ed un circuito a Ponte di Anderson.

All’inizio del 1924, Daniel Chilson di Los Angeles inventò e brevettò un detector elettromagnetico, conosciuto come “radio detector”. Il suo apparato usava un nuovo circuito a battimento di frequenza che divenne noto col nome di Ponte di Chilson. Il primo successo nella ricerca di tesori sepolti utilizzando il radio detector fu riportato da James Young del New York Times nel 1927. La ricerca fu organizzata da tre avventurieri, un americano e due inglesi, con una concessione governativa di 4 anni per la prospezione nell’istmo di Panama. I ritrovamenti includevano una catena d’oro, gioielli e argenti di un tesoro di pirati. James Young finanziò ed organizzò ricerche di tesori perduti su vasta scala. Egli affermò che l’apparato radio aveva raggiunto il successo laddove uomini avevano tentato invano per più di due secoli, e predisse che ulteriori successi sarebbero sopraggiunti con una intensa attività di ricerca tramite il detector nelle Indie Occidentai, nelle Florida Keys e nella costa del Messico.

Il primo libro sul metal detecting sembra sia stato quello di R.J. Santschi, “ Modern Divining Rods: Construction and Operation of Electrical Treasure Finders” ( una moderna bacchetta da rabdomanti: costruzione e operatività di un cerca tesori elettrico), spampato nel 1927. Esso divenne così popolare che le ultime edizioni apparvero nel 1928, nel 1931 e nel 1939.

Nel 1929, Gerhard Fisher di Hollywood, California, un ingegnere ricercatore, consulente per la Radiore Corporation ( famosa per i suoi successi per le prospezioni geofisiche per compagnie minerarie), brevettò il “Metallascope”.

Esso pesava circa 12 kG ed era equipaggiato con batterie a secco, tubi a vuoto e cuffie. Non richiedeva particolari istruzioni o abilità per essere usato. L’operatore stava in piedi tra il trasmettitore verticale ed il ricevitore orizzontale, tenuti insieme da impugnature di legno. Un voltometro a valvola misurava il livello del segnale del disturbo causato dal metallo. La profondità dell’oggetto non poteva essere calcolata, ma osservando l’angolo del trasmettitore nel punto di massima lettura del segnale ed eseguendo la prova in diversi punti, riportando tali misure su carta ed eseguendo calcoli trigonometrici, poteva essere raggiunta un’attendibile stima.

L’unità, venduta a 200 dollari, divenne di largo impiegotra le compagnie di pubblica utilità per localizzare velocemente ed accuratamente vecchie linee di tubazioni, cavi, serbatoi, binari  e altre strutture metalliche sepolte, così come per la ricerca superficiale di vene metallifere.

Il sig. Fisher arrivò a preparare schemi elettrici ed istruzioni per rendere I suoi detector disponibili agli amatori fai-da-te, utilizzando componenti radio.

Un fit semplificato in vendita a 95$, offriva una media sensibilità e profondità regolabile, utilizzando un voltometro a filamento. Un terzo modello della Fisher fu sviluppato successivamente ma mai posto sul mercato. Esso utilizzava tre valvole ed una bobina doppia invece di due separate. Fisher è anche famoso per aver stabilito più a lungo un oggetto è stato sepolto più esso è rilevabile da un metal detector (effetto halo).

Poco dopo che la Fisher si buttò sul mercato dei detector, vennero pubblicati piani per la costruzione fai-da-te di un “radio prospector” che poteva rilevare un dollaro d’argento alcuni pollici sotto il terreno, segnalandolo con un segnale acustico in cuffia. Per le bobine venivano impiegati cerchi di bicicletta da 28 pollici.

Nel 1930, Theodore Theodorsen, un fisico del National Advisory Commitee for Aeronautics, segnalò che era stato sviluppato ed era in costruzione dai Laboratori Langley, un nuovo “Strumento per il rilevamento di masse metalliche nel terreno”, allo scopo di rilevare bombe inesplose lanciate dagli aerei per le pratiche di addestramento vicino il sito del nuovo Seaplane Towing Channel nella base Langley in Virginia. Il nuovo detector localizzò con successo numerose bombe inesplose , compresa una da 9 kG a circa 60 cm di profondità. Il detector, conosciuto come N.A.C.A. Bomb Detector, era molto semplice e non richiedeva particolari abilità all’uso. Il progetto era basato sul lavoro del francese M.C. Gutton. Re bobine vennero avvolte in un alloggiamento di legno cavo di 3 piedi di diametro e di 1,5 piedi di spessore. L’utilizzo delle bobine richiedeva l’impiego di due uomini. L’alimentazione di 110 volt veniva fornita da un grosso mezzo mobile con alimentatore a gruppi elettrogeni.

Nel 1935 fu progettato un metal detector per localizzare scatole di derivazione di condutture interrate dietro i muri di una famosa università americana. Il dispositivo venne pubblicizzato come strumento molto sensibile per la ricerca di tesori e furono pubblicati i piani per la sua realizzazione sulle riviste di radio amatori. Come molti detector dell’epoca, esso doveva essere posto ad una distanza ragionevole dal bersaglio per funzionare e non aveva la capacità di distinguere tra diversi metalli.

 Sebbene alcuni detector potevano compensare le interferenze del corpo e del terreno, altri reagivano anche su strisce di terreno umido o su radici di piante .Anche il miglior strumento non era utilizzabile sulla spiaggia marina che conteneva sabbia magnetica nera.

Durante questo periodo venne sviluppato nei penitenziari un “Invisibile Gun Detector”. Esso indicava la presenza di metallo attraverso la deflessione di un fascio di raggi x emesso da un tubo catodico, realizzando una considerevole sensibilità ma richiedendo delle regolazioni molto critiche.

Nel 1938 fu sviluppato un ponte a induttanza sintonizzabile per il rilevamento di minuscole parti metalliche nei sigari durante la manifattura. Questo circuito permetteva alta sensibilità e buona stabilità sotto tutte le condizioni di temperatura, umidità, polvere e vibrazioni. Inoltre richiedeva semplici regolazioni ed era compatto e più stabile di un apparato a battimento di frequenza.

Nel 1939, Harry Fore pubblicò il suo schema per un cercametalli economico che utilizzava un circuito a Ponte di Chilson a battimento di frequenza, insensibile ad interferenze esterne e regolabile per il battimento a zero per una ricerca silenziosa. Egli usò una singola bobina e rilevava con un suono schioccante in una cuffia da 4000 ohm. Con buone regolazioni esso poteva localizzare un foglio metallico quadrato di 3 pollici a circa 12 pollici di profondità ed una moneta tipo “dime” americana ad alcuni pollici.

Nel dicembre del 1939, il Dr. Lincoln La Paz dell’università statale dell’Ohio presentò un giornale dell’ Astronomy Society sui rilevatori di meteoriti. Vennero progettati e costruiti tre strumenti, usando le ricerche di Theodorsen sui rilevatori di bombe. Il primo fu un grande strumento a tre bobine alimentato da un generatore a 110 volt alimentato a gas; era piccolo abbastanza da entrare nel bagagliaio di un’automobile. Il secondo fu sempre un tre-bobine alimentato da un oscillatore a valvola e piccolo abbastanza da entrare in un zaino. Potevano essere montate bobine di varie dimensioni con la semplicità di come si cambia una lampadina. Il terzo progetto fornì il successo maggiore. Esso consisteva di una bobina ricevente, una trasmittente e consumava meno della metà della corrente di qualsiasi detector in commercio.Pesando meno di 15 libbre ( 8 Kg) , poteva essere usato ovunque e l’operatore poteva camminare o arrampicarsi.

Con la Seconda Guerra Mondiale in corso arrivò una forte domanda di un rilevatore di mine.

La risposta arrivò da una sezione di ricerca del Ministero Britannico delle Forniture.  Erano al lavoro su nove detector sperimentali. Il problema era escogitare uno strumento capace di affrontare le dure condizioni del servizio attivo, mantenendo un peso ragionevole per non caricare troppo un soldato  in battaglia. Inoltre doveva essere infallibile, richiedere una squadra operativa minima ed essere costruito con semplici parti intercambiabili per una riparazione veloce. Fu utilizzato un singolo oscillatore a valvola sviluppato da William Osborne nel 1928. Agli inizi del 1941, il team di ricerca furono vicini alla conclusione quando ricevettero i particolari di un nuovo modello prodotto contemporaneamente da due tenenti delle forze armate Polacche.  Il nuovo modello non sfruttava nuovi principi, ma il suo arrangiamento suggeriva vantaggi nella costruzione e nell’operatività. Fu evidente che il progetto Polacco era molto buono tanto che vennero realizzati modelli di prova. La produzione partì nel dicembre del 1941. Il detector era realizzato con una testa di ricerca piatta che misurava 8 x 15 pollici. Un’asta regolabile era fissata al centro della piastra e c’erano due manopole di controllo sul manico dell’asta. Il resto del circuito era contenuto in uno zainetto sulla schiena dell’operatore.

Le prime commesse del nuovo detector furono ottenute da varie aziende di manifatture radio in Gran Bretagna. Questo detector “modernizzato” divenne il design standard in uso ancora oggi.

Nel 1942 un considerevole esperimento portò all’introduzione di un detector a modulazione di frequenza. Conosciuto come F.M. Detector, esso fornì migliore stabilità e la possibilità di avere il bilanciamento del terreno regolabile.

Nel 1943, William Blankmeyer apportò migliorie al circuito di rilevazione dei metalli tramite battimento di frequenza. Lo stesso anno fu sviluppato il Ponte di Wheatstone per la misurazione di resistenza in un detector per mine. L’unità era composta di 250 componenti suddivisi in 29 sotto circuiti.

Immediatamente dopo la guerra, come si resero disponibili i depositi di materiale bellico di surplus per tutto il Nord America e l’Europa, migliaia di detecor per le mine furono venduti al pubblico per cifre dai 5 ai 50 dollari. Chiaramente ciò creò una nuova razza di sperimentatori e di cercatori di tesori.

Nel 1946, Harry Fore pubblicò gli schemi per costruire un metal detector elettro-accoppiato con battimento zero, basato sulle ricerche delle Forze Armate Britanniche. Il suo progetto era indirizzato agli sperimentatori più esperti e, non essendo un modello semplice come quelli commerciali, manteneva tutte le eccellenti caratteristiche del detector originale tipo di Chilson  con l’aggiunta di molte raffinatezze. Poteva rilevare un pezzo di foglio metallico quadrato di 1 pollice a 12 pollici di profondità. La rilevazione poteva essere indicata sia da un aumento che da una diminuizione del suono in cuffia. Le ricerche sui cercamine nei tempi della guerra sono stato un beneficio per coloro interessati alla ricerca di tesori. Appena questi recenti modelli, con maggior sensibilità ed una forma più ergonomia, sono divenuti popolari, molte piccole compagnie hanno iniziato la produzione e la vendita di metal detector e accessori. I tre tipi principali di detector divennero: il circuito a ponte, il circuito a battimento di frequenza e il bilanciamento radio.

Un’altra innovazione tecnologica fu destinata a trasformare i progetti e le prestazioni dei metal detector anche nei decenni successivi: il transistor.

Oggi, più di 50 anni dopo, l’hobby del metal detecting e l’industria stanno ancora crescendo e prosperando. E sebbene i principi che stanno alla base sono stati gli stessi per lungo tempo, ci sono state alcune affascinanti innovazioni durante la nostra generazione: la discriminazione, la discriminazione motion VLF, la discriminazione Notch, la visualizzazione del tipo di bersaglio, la lettura della profondità del bersaglio, la sintonia automatica, il bilanciamento manuale e automatico, i multifrequenza, i detector pulse induction, i detector computerizzati ad alte prestazioni, i nuovi assemblaggi ergonomici e molto altro.

Possiamo solo sognare quello che ci porterà il futuro!

Traduzione di Americo Gualtieri