DE19608930A1 - Determining density of homogeneous material and surface density distribution of inhomogeneous material - Google Patents
Determining density of homogeneous material and surface density distribution of inhomogeneous materialInfo
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Abstract
Description
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.The invention is based on a method for determination the density of substances and a device for Implementation of the method according to the genus of Main claim as well as the secondary claim. Procedure and Devices for determining the density of substances are in known in many ways.
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.For example, there are methods and devices through measuring the weight of a known volume on the Close fabric density. Other methods measure that Buoyancy of solid bodies by weighing both in the Air as well as liquid. Procedures and are also known Devices that take advantage of centrifugal effects Material properties and therefore also the density of substances determine.
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.All these processes have the disadvantage that a Density distribution on the surface of the object to be examined Substance can not be determined. Problems with the Conventional methods occur particularly inhomogeneous Fabrics on. It can only be an average of Consistency can be determined. But especially in medicine, diagnostics, laboratory technology, production monitoring and the like alludes to the determination of the density distribution a superordinate to the surface of an inhomogeneous substance Role.
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.The inventive method with the characteristic Features of the main claim and the invention Device for performing the method with the has characteristic features of the subsidiary claim on the other hand the advantage that by means of ultrasound on simple Way the density distribution on a defined surface of a inhomogeneous substance, as well as the density of a homogeneous substance can be determined. The procedure makes it Property of ultrasound take advantage of that ultrasound Interfaces of different acoustic impedance are reflected becomes. Depending on the angle at which the wavefront is on the interface with impedance jump becomes a certain Part of the ultrasound is transmitted, the remaining part is reflected. The ultrasound hits under a certain Angle to the interface, the angle of total reflection, the wavefront hitting the interface becomes total reflected, d. H. a transmission of the wave takes place in the fabric not instead. Now the fabric is at different angles sonicated, and the reflected ultrasound received, so can from the comparison of the quality of the sent and received ultrasound the angle of total reflection determine. To assess the quality of the received Wave characteristics such as amplitude, intensity, Use the speed of sound and its dependent sizes. Furthermore, the ratio of the received and sent sound the reflection factor of the sound wave at the Interface determined. From the reflection factor and the Angle of total reflection can be the density of homogeneous or the density distribution on the surface of inhomogeneous Determine substances.
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.The device also has the advantage that hemispherical radiation pattern of the transmission elements Transmitter not in a special angular position to the fabric have to be brought. By controlling the for Transmitting element symmetrical with respect to the measuring point Receiver element on the receiver array is achieved that the angle of incidence of a wavefront hitting the material by controlling or measuring the corresponding to Measuring point symmetrical receiver element equal to that Angle of reflection is.
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.According to an advantageous embodiment of the invention serves as Parameter for the comparison of the quality of the sent Ultrasound to the received ultrasound the amplitude of the Ultrasound.
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.According to a further advantageous embodiment of the invention serves as a parameter for comparing the quality of the transmitted ultrasound to the received ultrasound Intensity of ultrasound.
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.According to an advantageous device Embodiment of the invention, the sending element Single element and the receiver element linear arrays, where the element is largely hemispherical Has radiation characteristics. Such a device has the advantage that only one transmission element has to be controlled, and that practically all the transmission elements at the same time can receive reflected sound wave. At this Device is not measured in one measuring point, but rather across a spatial extent of the surface. By moving the ultrasound unit and comparing the each received signal can be the density of the sampled Medium are calculated.
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.According to a further advantageous embodiment of the invention the transmission element has a narrowly limited Directional radiation characteristic, with the single element pivots at changeable angles. Such Device has the advantage that the transmission element is targeted in a specific one that can be changed by swiveling the element Direction sends.
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.According to a further advantageous embodiment of the invention are the transmitter elements and the receiver elements radial Arrays, where the elements have a narrow radiation pattern have and transmitter and receiver elements symmetrical be controlled to the plumb line above the measuring point. Such Device has the advantage that the path of ultrasound from Sender to the substance, as well as the reflected portion from the substance to the Receiver is the same length. A path correction calculation based on distances of different lengths covered by ultrasound not applicable.
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.According to a further advantageous embodiment of the invention the sending element as well as the receiving element is on Single element, the transmitting element being a narrowly limited one Has radiation characteristics and transmit and Receiver element concentric around and symmetrical with Move the same angular position to the perpendicular over the measuring point. At This device becomes the receiver and transmitter element pivoted, so that the transmitting element at different angles ultrasound on the surface of the Substance and the receiver element symmetrically to it d. H. with the same angular position to the perpendicular above the measuring point as the transmitting element receives the reflected ultrasound. A such arrangement has the advantage that only two elements are needed. Furthermore, the sound also sets independently here from the angular position of the transmitter or the receiver in each case the same distance back. A path correction calculation is not necessary.
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.According to a further advantageous embodiment of the invention device or fabric are movable relative to each other. This has the advantage that surface segments are scanned successively and the density can be determined.
Alle oben genannten Ausführungen sind mit Einzelschwingern ausgerüstet, die linear oder radial schwenkbar oder richtungsfest bewegt werden können.All of the above versions are with single transducers equipped that can be swiveled linearly or radially can be moved directionally.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.Further advantages and advantageous configurations of the Invention are the following description, the drawing and removable from the claims.
Zwei Ausführungsbeispiele des Gegenstands der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:Two embodiments of the subject of the invention are shown in the drawing and in more detail below described. Show it:
Fig. 1 Schematische Darstellung des Verfahrens mit Linear- Arrays mit Sende- und Empfängerelementen in Seitenansicht; Fig. 1 Schematic representation of the method with linear arrays with transmitter and receiver elements in side view;
Fig. 2 Schematische Darstellung des Verfahrens mit Radial- Arrays mit Sende- und Empfängerelementen in Seitenansicht. Fig. 2 Schematic representation of the method with radial arrays with transmitter and receiver elements in side view.
In Fig. 1 sind in Seitenansicht der Ultraschallsender 1 und der Ultraschallempfänger 2 jeweils als Linear-Array dargestellt. In Fig. 1, the ultrasonic transmitter 1 and the ultrasonic receiver 2 are each shown as a linear array in a side view.
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.Here, the transmitter and receiver unit can be designed as one component, the double function of an element as a transmitter. and receiving element is also conceivable. The transmission elements 6 of the transmitter 1 have an almost hemispherical radiation characteristic 7 . The defined surface 3 of the substance 4 to be examined is shown parallel to the arrays. Transmitter 1 , receiver 2 and fabric surface 3 are in contact with each other through a coupling medium 5 , the properties of which are known.
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.In order to determine the density of the substance 4 , a transmitter element 6 on the transmitter array 1 is now controlled via the control and monitoring unit 8 . The transmitting element sends a sound wave in the direction of fabric 4 . The wave is reflected on the fabric surface 3 . Depending on the angle 9 at which the perpendicular of the wavefront tangent hits the material in FIG. 14 , the quality of the ultrasound 11 reflected on the surface 3 changes. The reflected wave 11 is received by driving the receiver element 12 which is symmetrical to the transmission element 6 at the solder 13 in the measuring point 14 . This ensures that measurements are taken at a defined measuring point 14 (angle of incidence of the transmitted ultrasound angle of the reflected ultrasound). The control and control unit stores and evaluates the received signals. In particular, the quality of the transmitted signal is compared with that of the received signal. The process described is now repeated on the same measuring point using other transmission and receiver elements which are symmetrical to one another perpendicular to the measuring point 14 . By comparing the various received reflected sound waves, the control and control unit 8 determines the angle of the total reflection of the substance combination 5 - 4 in the measuring point 14 . Correction calculations may be necessary, in particular due to the different distances traveled by the sound waves. Furthermore, the reflection factor can be determined from the recorded data, in particular by driving the transmitting element directly above the measuring point and by receiving the reflected sound wave through the same element. The control and control unit 8 determines the density of the substance in the measuring point 14 from the reflection factor and the angle of the total reflection.
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.By moving the fabric relative to the device and it is possible to repeat the process described Distribution of density on the surface of the object to be examined To determine the substance.
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.In FIG. 2, the ultrasonic transmitter 1 and the ultrasonic receiver 2 are each represented as a radial array in side view. Here, the transmitter and receiver unit can be designed as one component, as in FIG. 1. The transmission elements 6 of the transmitter 1 have a narrow radiation characteristic.
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.The defined surface 3 of the substance 4 to be examined is located below the radial arrays shown in section in the shape of a hemisphere. Transmitter 1 , receiver 2 and fabric surface 3 are in contact with each other through a coupling medium 5 , the properties of which are known.
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.The process for determining the density distribution on the surface 3 of the substance 4 largely corresponds to that explained in FIG. 1. Here, too, transmission elements 6 and associated reception elements, symmetrical to the lot 13 above the measuring point 14 , are controlled by the control and monitoring unit 8 . An advantage of this arrangement is that path correction calculations do not have to be carried out; the length of the path traveled by the ultrasound from the differently controllable transmitter elements to the receiver elements is always the same as a result of the use of radial arrays.
Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.All in the description, the following claims and The features shown in the drawing can be both individually as well as being essential to the invention in combination with one another.
BezugszeichenlisteReference list
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 1 ultrasound transmitter
2 ultrasound receivers
3 fabric surface
4 fabric
5 coupling medium
6 transmission element
7 Transmitted ultrasound wavefront
8 control and monitoring unit
9 angle of incidence
10th
11 Reflected ultrasonic wave front
12 receiver element
13 Lot over measuring point
14 measuring point
Claims (9)
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.4. Device for performing the method, in particular according to one of the preceding claims,
with at least one ultrasound transmission element and
characterized by at least one ultrasound receiver element ( 12 ),
that transmitter and receiver elements are ultrasound linear arrays,
that the transmission elements have a largely hemispherical radiation characteristic and
that transmitter and receiver elements are controlled symmetrically to the plumb bob ( 13 ) above the measuring point ( 14 ).
daß das Sendeelement ein Einzelelement und die Empfängerelemente Linear-Arrays sind und
daß das Sendeelement eine weitgehend halbkugelförmige Abstrahlcharakteristik aufweist.5. The device according to claim 4, characterized in
that the transmitting element is a single element and the receiver elements are linear arrays and
that the transmitting element has a largely hemispherical radiation characteristic.
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.7. The device according to claim 4, characterized in
that transmitter elements and receiver elements are radial arrays,
that the transmission elements have a narrow radiation characteristic and
that transmitter and receiver elements are controlled symmetrically to the plumb bob ( 13 ) above the measuring point ( 14 ).
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.8. The device according to claim 4, characterized in
that the transmitting element and the receiving element are individual elements,
that the transmitting element has a narrowly limited directional radiation characteristic,
that the transmitter and receiver element move concentrically around and symmetrically with the same angular position to the perpendicular above the measuring point.
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|---|---|---|---|
| DE1996108930 DE19608930A1 (en) | 1996-03-07 | 1996-03-07 | Determining density of homogeneous material and surface density distribution of inhomogeneous material |
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|---|---|---|---|
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| DE (1) | DE19608930A1 (en) |
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