DE19608930A1

DE19608930A1 - Verfahren zur Bestimmung der Dichte von Stoffen

Info

Publication number: DE19608930A1
Application number: DE1996108930
Authority: DE
Inventors: Frieder A Grieshaber
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-03-07
Filing date: 1996-03-07
Publication date: 1997-09-11

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Bestimmung der Dichte von Stoffen sowie einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Gattung des Hauptanspruchs sowie des Nebenanspruchs. Verfahren und Vorrichtungen zur Bestimmung der Dichte von Stoffen sind in vielfacher Weise bekannt.

Es gibt beispielsweise Verfahren und Vorrichtungen die durch das Messen des Gewichts eines bekannten Volumens auf die Stoffdichte schließen. Andere Verfahren messen die Auftriebskraft von festen Körpern durch Wiegen sowohl in der Luft als auch in Flüssigkeit. Bekannt sind auch Verfahren und Vorrichtungen, die unter Ausnutzung von Zentrifugalwirkungen Stoffeigenschaften und somit auch die Dichte von Stoffen bestimmen.

All diesen Verfahren haftet der Nachteil an, daß eine Dichteverteilung an der Oberfläche des zu untersuchenden Stoffes nicht bestimmt werden kann. Probleme bei den herkömmlichen Verfahren treten insbesondere bei inhomogenen Stoffen auf. Es kann hierbei immer nur ein Mittelwert der Stoffdichte bestimmt werden. Insbesondere aber in der Medizin, der Diagnostik, der Labortechnik, der Fertigungsüberwachung und dergleichen spielt die Bestimmung der Dichteverteilung an der Oberfläche eines inhomogenen Stoffes eine übergeordnete Rolle.

Die Erfindung und ihre Vorteile

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs sowie der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit den kennzeichnenden Merkmalen des Nebenanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß mittels Ultraschall auf einfache Weise die Dichteverteilung an einer definierten Oberfläche eines inhomogenen Stoffes, sowie die Dichte eines homogenen Stoffes bestimmt werden kann. Das Verfahren macht sich die Eigenschaft von Ultraschall zunutze, daß Ultraschall an Grenzflächen unterschiedlicher Schallkennimpedanz reflektiert wird. Abhängig davon, in welchem Winkel die Wellenfront auf die Grenzfläche mit Impedanzsprung trifft, wird ein gewisser Anteil des Ultraschalls transmittiert, der restliche Anteil wird reflektiert. Trifft der Ultraschall unter einem bestimmten Winkel auf die Grenzfläche, dem Winkel der Totalreflexion, wird die auf die Grenzfläche treffende Wellenfront total reflektiert, d. h. eine Transmission der Welle in den Stoff findet nicht statt. Wird nun der Stoff unter verschiedenen Winkeln beschallt, und der reflektierte Ultraschall empfangen, so läßt sich aus dem Vergleich der Qualität des gesendeten und empfangenen Ultraschall der Winkel der Totalreflexion bestimmen. Zur Beurteilung der Qualität des empfangenen Signals lassen sich Wellenkennwerte wie Amplitude, Intensität, Schallgeschwindigkeit und davon abhängige Größen heranziehen. Desweiteren wird aus dem Verhältnis des empfangenen und gesendeten Schalls der Reflexionsfaktor der Schallwelle an der Grenzfläche bestimmt. Aus dem Reflexionsfaktors und dem Winkel der Totalreflexion läßt sich die Dichte von homogenen bzw. die Dichteverteilung an der Oberfläche von inhomogenen Stoffen bestimmen.

Die Vorrichtung hat zudem den Vorteil, daß durch die halbkugelförmige Abstrahlcharakteristik der Sendeelemente die Sender nicht in eine spezielle Winkelposition zu dem Stoff gebracht werden müssen. Durch die Ansteuerung des zum Sendeelement bezüglich des Meßpunkts symmetrischen Empfängerelements auf dem Empfängerarray wird erreicht, daß der Einfallswinkel einer auf den Stoff treffenden Wellenfront durch Ansteuerung bzw. Messung des entsprechenden zum Meßpunkt symmetrischen Empfängerelements gleich dem Ausfallswinkel ist.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung dient als Kenngröße für den Vergleich der Qualität des gesendeten Ultraschalls zu dem empfangenen Ultraschalls die Amplitude des Ultraschalls.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung dient als Kenngröße für den Vergleich der Qualität des gesendeten Ultraschalls zu dem empfangenen Ultraschalls die Intensität des Ultraschalls.

Nach einer die Vorrichtung betreffenden vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind das Sendelement ein Einzelelement und das Empfängerelement Linear-Arrays, wobei das Element eine weitgehend halbkugelförmige Abstrahlcharakteristik aufweist. Eine solche Vorrichtung hat den Vorteil, daß nur ein Sendeelement angesteuert werden muß, und daß praktisch alle Sendeelemente gleichzeitig die reflektierte Schallwelle empfangen können. Bei dieser Vorrichtung wird nicht in einer Meßstelle gemessen, sondern über eine räumliche Flächenausdehnung der Oberfläche hinweg. Durch Verschieben der Ultraschalleinheit und Vergleich der jeweils empfangenen Signale kann die Dichte des abgetasteten Mediums berechnet werden.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Sendeelement eine eng begrenzte Richtabstrahlcharakteristik auf, wobei das Einzelelement schwenkbar unter änderbaren Winkeln sendet. Eine solche Vorrichtung hat den Vorteil, daß das Sendeelement gezielt in eine bestimmte, durch Schwenken des Elements veränderbare Richtung sendet.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Sendeelemente sowie die Empfängerelemente Radial- Arrays, wobei die Elemente eine enge Abstrahlcharakteristik aufweisen und Sende- und Empfängerelemente symmetrisch zum Lot über der Meßstelle angesteuert werden. Eine solche Vorrichtung hat den Vorteil, daß der Weg des Ultraschalls von Sender zum Stoff, sowie des reflektierten Anteils vom Stoff zum Empfänger gleich lang ist. Eine Wegkorrekturrechnung aufgrund verschieden langer vom Ultraschall zurückgelegter Strecken entfällt.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Sendeelement sowie das Empfangselement ein Einzelelement, wobei das Sendeelement eine eng begrenzte Abstrahlcharakteristik aufweist und sich Sende- und Empfängerelement konzentrisch um und symmetrisch mit gleicher Winkelstellung zum Lot über die Meßstelle bewegen. Bei dieser Vorrichtung werden Empfänger- und Sendeelement schwenkbar ausgebildet, und zwar so, daß das Sendeelement unter verschiedenen Winkeln Ultraschall auf die Oberfläche des Stoffes sendet und das Empfängerelement symmetrisch dazu, d. h. mit gleicher Winkelstellung zum Lot über der Meßstelle wie das Sendeelement den reflektierten Ultraschall empfängt. Eine solche Anordnung hat den Vorteil, daß nur zwei Elemente benötigt werden. Weiterhin legt auch hier der Schall unabhängig von der Winkelstellung des Senders bzw. des Empfängers jeweils die gleiche Strecke zurück. Eine Wegkorrekturrechnung entfällt.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind Vorrichtung oder Stoff relativ zueinander bewegbar. Dies hat den Vorteil, daß Oberflächensegmente sukzessiv abgetastet und die Dichte bestimmt werden können.

Alle oben genannten Ausführungen sind mit Einzelschwingern ausgerüstet, die linear oder radial schwenkbar oder richtungsfest bewegt werden können.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.

Zeichnung

Zwei Ausführungsbeispiele des Gegenstands der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 Schematische Darstellung des Verfahrens mit Linear- Arrays mit Sende- und Empfängerelementen in Seitenansicht;

Fig. 2 Schematische Darstellung des Verfahrens mit Radial- Arrays mit Sende- und Empfängerelementen in Seitenansicht.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In Fig. 1 sind in Seitenansicht der Ultraschallsender 1 und der Ultraschallempfänger 2 jeweils als Linear-Array dargestellt.

Hierbei kann Sende- und Empfängereinheit als ein Bauteil ausgeführt werden, die Doppelfunktion eines Elements als Sende-. und Empfangselement ist auch denkbar. Die Sendeelemente 6 des Senders 1 weisen hierbei eine nahezu halbkugelförmige Abstrahlcharakteristik 7 auf. Parallel zu den Arrays ist die definierte Oberfläche 3 des zu untersuchenden Stoffes 4 dargestellt. Sender 1, Empfänger 2 und Stoffoberfläche 3 stehen durch ein Ankoppelmedium 5, dessen Stoffeigenschaften bekannt sind, miteinander in Kontakt.

Um die Dichte des Stoffes 4 zu bestimmen wird nun über die Steuer- und Kontrolleinheit 8 ein Sendeelement 6 auf dem Senderarray 1 angesteuert. Das Sendeelement sendet eine Schallwelle in Richtung Stoff 4. An der Stoffoberfläche 3 wird die Welle reflektiert. Abhängig von dem Winkel 9, unter welchem die Senkrechte der Wellenfronttangente auf den Stoff in 14 trifft, ändert sich die Qualität des an der Oberfläche 3 reflektierten Ultraschalls 11. Durch Ansteuerung des zum Sendeelements 6 an der dem Lot 13 in der Meßstelle 14 symmetrischen Empfängerelements 12 wird die reflektierte Welle 11 empfangen. Hierdurch wird gewährleistet, daß auf einer definierten Meßstelle 14 gemessen wird (Einfallswinkel des gesendeten gleich Ausfallwinkel des reflektierten Ultraschalls). Die Kontroll- und Steuereinheit speichert und wertet die empfangenen Signale aus. Insbesondere wird die Qualität des gesendeten mit der dem empfangenen Signals verglichen. Der beschriebene Vorgang wird nun auf der gleichen Meßstelle unter Verwendung von anderen zueinander zum Lot über der Meßstelle 14 symmetrischen Sende- und Empfängerelementen wiederholt. Durch Vergleich der verschiedenen empfangenen reflektierten Schallwellen wird von der Kontroll- und Steuereinheit 8 der Winkel der Totalreflexion der Stoffkombination 5 - 4 in der Meßstelle 14 bestimmt. Eventuell sind Korrekturrechnungen erforderlich, insbesondere aufgrund der von den Schallwellen zurückgelegten verschieden langen Wegstrecken. Weiterhin kann der Reflexionsfaktor aus den aufgenommenen Daten bestimmt werden, und zwar insbesondere durch Ansteuerung des Sendeelements direkt über der Meßstelle und durch Empfangen der reflektierten Schallwelle durch das gleiche Element. Aus Reflexionsfaktor und Winkel der Totalreflexion bestimmt die Kontroll- und Steuereinheit 8 die Dichte des Stoffes in der Meßstelle 14.

Durch relatives Bewegen des Stoffes zur Vorrichtung und wiederholen des beschriebenen Vorgangs ist es möglich die Verteilung der Dichte an der Oberfläche des zu untersuchenden Stoffes zu bestimmen.

In Fig. 2 sind in Seitenansicht der Ultraschallsender 1 und der Ultraschallempfänger 2 jeweils als Radial-Arrays dargestellt. Hierbei kann Sender- und Empfängereinheit ebenso wie in Fig. 1 als ein Bauteil ausgeführt werden. Die Sendeelemente 6 des Senders 1 weisen hierbei eine enge Abstrahlcharakteristik auf.

Unter den im Schnitt halbkugelförmig dargestellten Radial- Arrays befindet sich die definierte Oberfläche 3 des zu untersuchenden Stoffes 4. Sender 1, Empfänger 2 und Stoffoberfläche 3 stehen durch ein Ankoppelmedium 5, dessen Stoffeigenschaften bekannt sind, miteinander in Kontakt.

Der Vorgang zur Bestimmung der Dichtverteilung an der Oberfläche 3 des Stoffes 4 entspricht weitgehend dem unter Fig. 1 Erläuterten. Auch hier werden Sendeelemente 6 und zugehörige, zum Lot 13 über der Meßstelle 14 symmetrischen, Empfangselemente von der Steuer- und Kontrolleinheit 8 angesteuert. Ein Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß Wegkorrekturrechnungen nicht vorgenommen werden müssen, die Länge der zurückgelegten Weg strecken des Ultraschalls von den verschieden ansteuerbaren Sendeelementen zu den Empfängerelementen ist in folge der Verwendung von Radial- Arrays immer gleich.

Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Bezugszeichenliste

1 Ultraschallsender
2 Ultraschallempfänger
3 Stoffoberfläche
4 Stoff
5 Ankoppelmedium
6 Sendeelement
7 Gesendete Ultraschallwellenfront
8 Steuer- und Kontrolleinheit
9 Einfallswinkel
10
11 Reflektierte Ultraschallwellenfront
12 Empfängerelement
13 Lot über Meßstelle
14 Meßstelle

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung der Dichte von homogenen Stoffen und zur Bestimmung der Oberflächendichteverteilung von inhomogenen Stoffen, gekennzeichnet durch die Verwendung von Ultraschall und durch Vergleich der Qualität des gesendeten Ultraschalls (7) mit dem am Stoff reflektierten (11), empfangenen Ultraschalls.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kenngröße für den Vergleich der Qualität des gesendeten zu dem empfangenen Ultraschalls die Amplitude des Ultraschalls dient.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kenngröße für den Vergleich der Qualität des gesendeten zu dem empfangenen Ultraschalls die Intensität des Ultraschalls dient.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, insbesondere nach einem der vorherigen Ansprüche,
mit mindestens einem Ultraschallsendeelement und
mit mindestens einem Ultraschallempfängerelement (12) dadurch gekennzeichnet,
daß Sende- und Empfängerelemente Ultraschall Linear- Arrays sind,
daß die Sendeelemente eine weitgehend halbkugelförmige Abstrahlcharakteristik aufweisen und
daß Sende- und Empfängerelemente symmetrisch zum Lot (13) über der Meßstelle (14) angesteuert werden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß das Sendeelement ein Einzelelement und die Empfängerelemente Linear-Arrays sind und
daß das Sendeelement eine weitgehend halbkugelförmige Abstrahlcharakteristik aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Sendeelement eine eng begrenzte Abstrahlcharakteristik aufweist und daß das Einzelelement schwenkbar unter änderbaren Winkeln sendet.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß Sendeelemente und Empfängerelemente Radial-Arrays sind,
daß die Sendeelemente eine enge Abstrahlcharakteristik aufweisen und
daß Sende- und Empfängerelemente symmetrisch zum Lot (13) über der Meßstelle (14) angesteuert werden.

8. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß das Sendeelement und das Empfangselement Einzelelemente sind,
daß das Sendeelement eine eng begrenzte Richt- Abstrahlcharakteristik aufweist,
daß sich Sende- und Empfängerelement konzentrisch um und symmetrisch mit gleicher Winkelstellung zum Lot über der Meßstelle bewegen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Vorrichtung oder Stoff relativ zueinander bewegbar sind.