DD236397A1 - Verfahren zur bestimmung mechanischer stoffkennwerte von schuettguetern - Google Patents

Abstract

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur beruehrungslosen akustischen Messung mehrerer mechanischer Kennwerte eines unbekannten Schuettgutes, poroesen Stoffes oder Haufwerkes zu schaffen. Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass die durch den unbekannten Stoff erfolgende Beeinflussung des Luftschachtes im Hoerfrequenzgebiet, beispielsweise die Schallabsorption, Reflexion oder Translation des Schalls gemessen und daraus mechanische Kennwerte, wie Hohlraumvolumen, Formfaktoren, Struktur und dergleichen, bestimmt werden, in dem die funktionalen Zusammenhaenge, beispielsweise als Funktion des akustischen Strukturfaktors f3f (s) und/oder spezifischen Hohlraumvolumens sp als Funktion des akustischen Strukturfaktors s, als Schallabsorptionsgrades a und eines die Form charakterisierenden f3 sp f (a, s) c (ol, s) f (f3)zur Bestimmung genutzt und somit mechanische Stoffkennwerte beruehrungslos ermittelt werden.

Description

zur Bestimmung genutzt und somit mechanische Stoffkennwerte berührungslos ermittelt werden.

2. Verfahren zur akustischen Bestimmung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß außer Schüttgütern alle porösen Stoffe und Haufwerke aus körnigen und fasrigen Bestandteilen bestimmbar sind, wenn nur nach außen geöffnete Hohlräume vorhanden bzw. vollständig abgeschlossene und/oder kapillare Hohlräume zu vernachlässigen sind und daß als Beeinflussung des Luftschalls vorzugsweise die Schallabsorption meßtechnisch nutzbar ist und als Maß der Schallabsorptionsgrad dient.

3. Verfahren zur akustischen Bestimmung nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß vom unbekannten Stoff der Schallabsorptionsgrad α bei veränderlicher Frequenz f gemessen, aus der Frequenz f, _max, bei der der erste Maximalwert für α auftritt, der akustische Strukturfaktor s berechnet und nach der folgenden Gleichung daraus und aus dem Betrag des Maximalwertes α,. _Max selbst das spezifische Hohlraumvolumen σ_ρ berechnet wird.

+ b, CC,. Max +

4. Verfahren zur akustischen Bestimmung nach Punkt 3, gekennzeichnet dadurch, daß a₀, a,, .... a_n und b₀, b_1; b₂ geeignete Koeffizienten sind, für die vorzugsweise folgende Werte eingesetzt werden:

a_o = O,13; a, = 1,23; a₂= -0,36; a₃ = 0,14

b₀= -3,33; b, = 1,67; b₂ = 4,0 wenn nicht für reine Kugelpackungen zu ändern ist in a₀ = 0,13; a, = 1,0; a₂ = a₃ = ... =0 oder höhere Genauigkeitsforderungen eine weitere Ergänzung der Koeffizienten (n > 3) bedingen.

5. Verfahren zur akustischen Bestimmung nach Punkt 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß bei Haufwerken aus körnigen Bestandteilen durch die Schallabsorptionsgradmessung der mittlere Formfaktor f₃ aus dem akustischen Strukturfaktor s nach der folgenden Gleichung

T₃ = kfl + k, s + k₂ s² + ... + k_n s"

bestimmt wird.

6. Verfahren zur akustischen Bestimmung nach Punkt 5, gekennzeichnet dadurch, daß ko, k,, ..., k geeignete Koeffizienten sind, für die vorzugsweise ko = 2,03; k, = -1,42; k₂ = 0,55 einzusetzen ist, wenn nicht wegen höherer Genauigkeitsanforderungen eine weitere Ergänzung (n > 3) erforderlich wird.

7. Verfahren zur akustischen Bestimmung nach Punkt 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß bei bekannter Substanzdichte auch die Schüttdichte von Haufwerken aus körnigen Bestandteilen berührungslos über die Messung' des spezifischen Hohlraumvolumens bestimmt wird, und daß eine berührungslose Schnellbestimmung der Struktur von Haufwerken aus körnigen Bestandteilen durch die Messung des spezifischen Hohlraumvolumens und des akustischen Strukturfaktors erfolgt. ,

8. Verfahren zur akustischen Bestimmung nach Punkt 7, gekennzeichnet dadurch, daß die bekannte Strukturkennzeichnung durch Angabe der Anteile dichtester Packung und losester Packung in Haufwerken je nach Größe des spezifischen Hohlraumvolumens bei Anwendung der akustischen Messung zur berührungslosen Schnellbestimmung wird.

9. Verfahren zur akustischen Bestimmung nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß gleichfalls die spezifische Schallimpedanz Z des unbekannten Stoffes, die in allgemeinster Form die Beeinflussung des Luftschalls beschreibt, zur Messung benutzt werden kann, und daß die minimal erreichbare Differenz zwischen dem Betrag der komplexen spezifischen Schallimpedanz und der spezifischen Schallimpedanz der Luft sowie die dazugehörige Meßfrequenz zur Bestimmung mechanischer Stoffkennwerte dient.

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur berührungslosen akustischen Messung mechanischer Stoffkenngrößen, wie spezifisches Hohlraumvolumen, Schüttdichte, Strukturfaktoren, Körper-Formfaktoren, das heißt. Verhältnis von Körperlänge zu größtem Körperdurchmesser, von porösen Stoffen und Schüttgütern oder allgemein trockenen bis feuchten Haufwerken. Das Verfahren ist beispielsweise in der Land-, Verfahrens- und Silikattechnik sowie der Baustoffindustrie anwendbar, praktisch überall dort, wo poröse Stoffe oder Packungen aus fasrigen und körnigen Stoffen ver- und bearbeitet, transportiert und gelagert werden.

-2-720

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es sind Verfahren zur Bestimmung mechanischer Kenngrößen poröser Stoffe oder Schüttgüter bekannt, die als Laborverfahren bei relativ guter Genauigkeit einen hohen meßtechnischen Aufwand benötigen. Das sind insbesondere solche Verfahren, wie Wägen bekannter Volumina, das Auffüllen der Hohlräume mit Flüssigkeiten, der Luft- und Gasdruck-Vergleich zwischen bekannten und zu messenden Hohlraumvolumen sowie die geometrisch-optische Untersuchung von Schliffen nach Auffüllen des porösen Stoffes mit Wachs oder dergleichen Stoffen und die Größenverteilungsmessung offener Poren aus den Sorptionsisothermen. Bekannt sind für die Betriebsmessung geeignete Verfahren, wie beispielsweise die Strukturkennzeichnung aus der Messung des Strömungswiderstandes, die jedoch nur auf einem der Meßmethode ähnlichen Stoff, auf engbegrenzte Gruppen von Stoffen und lediglich bei Einhaltung spezieller Bedingungen angewendet werden können. Beide vorgenannten Verfahrensgruppen besitzen die Gemeinsamkeit, daß eine Berührung von Meßfühler bzw. Meßeinrichtung und Meßobjekt stattfindet, wodurch die Meßgenauigkeit beeinträchtigt und Strukturveränderungen die Folge sein können.

Desweiteren ist ein Verfahren nach der DD-PS Nr. 51 715 zur berührungslosen Messung der Schutt- oder Rohdichte von fasrigem oder Schüttgut mittels Ultraschall bekannt. Damit läßt sich zwar der Massengehalt eines Volumens bestimmen, aber nicht gleichzeitig das Hohlr.aumvolumen, die Struktur oder ein die Form des Einzelkörpers charakterisierender Faktor. Das trifft sinngemäß auch auf bekannte Verfahren zu, die infolge Schwächung ionisierender Strahlen durch den porösen Stoff oder das Schüttgut eine Dichtebestimmung ermöglichen.

Ziel der Erfindung

Die Erfindung hat das Ziel, eine einfache und berührungslose Messung mehrerer mechanischer Stoffkennwerte, insbesondere des spezifischen Hohlraumvolumens, des Formfaktors und der Struktur von porösen Stoffen, Schüttgütern bzw. trockenen bis feuchten Haufwerken mit akustischen Mittel zu schaffen und durch Luftschall-Anregung mit Frequenzen im Hörschallbereich und Messen der akustischen Wirkung, speziell des Schallabsorptionsgrades den Effekt des einfachen und berührungslosen Messens zu erreichen.

Wesen der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur berührungslosen akustischen Messung mehrerer mechanischer Kennwerte eines unbekannten Schüttgutes, porösen Stoffes oder Haufwerkes zu schaffen.

Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß die durch den unbekannten Stoff erfolgende Beeinflussung des Luftschalls im Hörfrequenzgebiet, beispielsweise die Schallabsorption, Reflexion oder Translation des Schalls, gemessen und daraus mechanische Kennwerte, beispielsweise Hohlraumvolumen, Formfaktoren, Struktur und dergleichen, bestimmt werden, in dem die funktionalen Zusammenhänge, beispielsweise als Funktion des akustischen Strukturfaktors f₃ = cp(s) und/oder spezifischen Hohlraumvolumens σ_ρ als Funktion des akustischen Strukturfaktors s, als Schallabsorptionsgrades α und eines die Form charakterisierenden f₃

zur Bestimmung genutzt und somit mechanische Stoffkennwerte berührungslos ermittelt werden. Von Vorteil ist, daß außer Schüttgütern alle porösen Stoffe und Haufwerke aus körnigen und fasrigen Bestandteilen bestimmbar sind, wenn nur nach außen geöffnete Hohlräume vorhanden bzw. vollständig abgeschlossen und/oder kapillare Hohlräume zu vernachlässigen sind und daß als Beeinflussung des Luftschalls vorzugsweise die Schallabsorption meßtechnisch ist und als Maß der Schallabsorptionsgrad dient. Zweckmäßigerweise wird vom unbekannten Stoff der Schallabsorptionsgrad α bei veränderlicher Frequenz f gemessen, aus der Frequenz f, _max, bei der der erste Maximalwert für α auftritt, der akustische Strukturfaktor s bezeichnet und nach der folgenden Gleichung daraus und aus dem Betrag des Maximalwertes Cc₁. _Max selbst das spezifische Hohlraumvolumen σ_ρ berechnet.

_σ -«ι-».« («I.Max + a₀) Ia₁S^ + a₂s¹'² + ... a_ns<" -^1/2>)

^P bo+ IJ₁CX₁. _Max+ I)₂(OC₁. _Max)1/2

Die geeigneten Koeffizienten sind a₀, a,, ..., a_n und b₀, b_1# b₂ für die vorzugsweise folgende Werte eingesetzt werden:

a_o = O,13; a, = 1,23; a₂ = -0,36; a₃ = 0,14

b₀= -3,33; b! = 1,67; b₂ = 4,0 wenn nicht für reine Kugelpackungen zu ändern ist in a_o = O,13; a^ = 1,0; a₂ = a₃.,. = 0 oder höhere Genauigkeitsforderungen eine weitere Ergänzung der Koeffizienten (n > 3) bedingen. Ein weiterer Vorteil ist, daß bei Haufwerken aus körnigen Bestandteilen durch die Schallabsorptionsgradmessung der mittlere Formfaktor f₃ aus dem akustischen Strukturfaktor s nach der folgenden Gleichung f₃ = ko + ki s + k₂ s² + ... + k_ns" bestimmt wird und daß ko, k, ..., kt geeignete Koeffizienten sind, für die vorzugsweise ko = 2,O3; k, = -1,42; k₂ = 0,55 einzusetzen ist, wenn nicht wegen höherer Genauigkeitsforderungen eine weitere Ergänzung (n > 3) erforderlich wird.

Bei bekannter Substanzdichte wird auch die Schüttdichte von Haufwerken aus körnigen Bestandteilen berührungslos über die Messung des spezifischen Hohlraumvolumens bestimmt und eine berührungslose Schnellbestimmung der Struktur von Haufwerken aus körnigen Bestandteilen durch die Messung des spezifischen Hohlraumvolumens und des akustischen Strukturfaktors vorgenommen. Ein weiteres Wesen des Verfahrens ist, daß die bekannte Strukturkennzeichnung durch Angabe der Anteile dichtester Packung und losester Packung in Haufwerken je nach Größe des spezifischen Hohlraumvolumens bei Anwendung der akustischen Messung zur berührungslosen Schnellbestimmung wird und daß gleichfalls die spezifische Schallimpedanz Z des unbekannten Stoffes, die in allgemeinster Form die Beeinflussung des Luftschalls beschreibt, zur Messung benutzt werden kann, und daß die minimal erreichbare Differenz zwischen dem Betrag und der spezifischen Schallimpedanz der Luft sowie die

J Ui-: !!»/»„„,.λ», „,,,. Q„,-+;,v,rv,,,„„ ma^h^nivr-har QtrvHl/onnuiorto Hiont

- 3 - /ZU /S Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert werden, wobei in den Beispielen nur auf senkrechten Schalleinfall Bezug genommen wird.

Der Schallabsorptionsgrad α eines Stoffes als Funktion f wird vom spezifischen Hohlraumvolumen derart beeinflußt, daß sich daraus ein Meßverfahren ableiten läßt und zwar derart, daß lediglich der 1. Maximalwert des Schallabsorptionsgrades und die Frequenz f,. _Max, bei der dieser Extremwert auftritt, gemessen werden. Über den in der Akustik üblichen akustischen Strukturfaktor s als Zwischenstufe wird das spezifische Hohlraumvolumen σ_ρ aus den Meßergebnissen berechnet:

„ - «i.Max («i.Max + a₀) (a,s^1/2 + a₂s^3/2 + ... + a_nsl"'^1/2')

a,._Max + b₂ (0,.Ma_x) 1/2

Hierbei bedeuten:

cd. Max = 1. Maximum des Schallabsorptionsgrades

σρ = spezifisches Hohlraumvolumen eines porösen Stoffes, eines Schüttgutes oder eines trockenen bis feuchten

Haufwerkes

a₀, a,, ..., a_n = Koeffizienten bo, b, b₂ = Koeffizienten

C₀ = Schallgeschwindigkeit der Luft

f,.Max = Frequenz bei der α,. _Max gemessen wird

I = Länge

s = akustischer Strukturfaktor

Dabei sind folgende Koeffizienten einzusetzen:

a₀ = 0,13; a, = 1,23; a₂ = -0,36; a₃ = 0,14 bo= -3,33; b, = 1,67; b₂ = 4,0

Je nach Genauigkeitsforderungen und bei bestimmten Grenzfällen lassen sich diese Koeffizienten erweitern oder verändern. Bei reinen Kugelpackungen ändern sich die a-Werte beispielsweise auf

a_o = O,13; a, = 1,0; a₂ = a₃ = ... =0

Aus gleicher Messung läßt sich somit eine Aussage zur mittleren Form des Einzelkörpers in Haufwerken aus körnigen Bestandteilen ableiten:

= Jp«. dabei sind:

+ k_nsⁿ

f₃ = Formfaktor

d_max = maximaler Durchmesser eines Einzelkorns

ko, k,, ..., k_n = Koeffizienten

l_max = maximale Länge eines Einzelkorns

Die Werte dieser Koeffizienten sind:

ko = 2,03; k, = 1,42; k₂ = 0,55

Eine Erweiterung auf η > 2 bei höheren Genauigkeitsforderungen ist gegeben.

Das Meßverfahren wird in folgende Schritte aufgeteilt. Zuerst ist der Stoff - oder eine Probe dessen - in geeigneter Weise mit Hörschallenergie mit einer Einzelfrequenz oder einem Frequenzband zu beschallen und seine akustische Wirkung bei veränderlicher Frequenz zu messen. Als Maß für die akustische Wirkung des Stoffes kann die spezifische Schallimpedanz, das Schallisolationsmaß, der Reflektionsgrad und insbesondere der Schallabsorptionsgrad dienen. Aus der gewählten Meßgröße wird über einen geeigneten Algorithmus der gesuchte mechanische Kennwert ermittelt. Insbesondere ist der erste Maximalwert des Schallabsorptionsgrades und die Frequenz, bei der er auftritt, zu verwenden, um über den akustischen Strukturfaktor nach der Gleichung

,α,. Max («,.Max + 3p) (a,S¹'² + 3,S³'² + ... a_nS<" ~ "²>)

^p bo+ b, α,._Max + b₂(a,._Max)^1/2

das spezifische Hohlraumvolumen und nach der Gleichung k_nsⁿ

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den mittleren Strukturfaktor und in entsprechender Art und Weise die weiteren mechanischen Stoffkennwerte zu ermitteln. So wird beispielsweise bei der Bestimmung desweiteren des spezifischen Hohlraumvolumens in ein Meßrohr die zu untersuchende Stoffprobe eingebracht und der Schallabsorptionsgrad bei veränderlicher Meßfrequenz f ermittelt. Aus den Werten für das erste Absorptionsmaximum

(«1. Max. fi. Max) wird mit I nach der Gleichung

S= (

4 If,. Max

der akustische Strukturfaktor s und mit diesem und der Gleichung

_σ _ «1. Max (l.Mc + «ρ) (C₁O"² + (X₂G*'² + ... + 0,0*» ~ ^1/2))

^p b₀ + bi α,. Max + b₂ (α,. _Max)^1/2

das spezifische Hohlraumvolumen σ_ρ berechnet.

Die Berechnung kann durch graphische Hilfsmittel vereinfacht oder von einer zu diesem Zweck installierten Auswerteelektronik übernommen und das Ergebnis direkt angezeigt werden.

Bei der Bestimmung der mittleren Körperform in Haufwerken aus körnigen Bestandteilen wird der bei der Messung des spezifischen Hohlraumvolumens gleichzeitig bestimmte akustische Strukturfaktor 1 verwendet, um mit der Gleichung

T₃ = ko + k, s + k₂ s² + ... + k_n s"

'-'max

den mittleren Formfaktor f₃ der Körper in der Schüttung zu berechnen.

Dadurch läßt sich das Verhältnis von Länge zu Durchmesser des Einzelkörpers nachweisen.

Die Bestimmung der Schüttdichte kann, sofern die Substanzdichte des Grundmaterials in der Schüttung genau bekannt ist, die Messung des spezifischen Hohlraumvolumens direkt als Schüttdichte-Messung durchgeführt werden, dabei über σ in mathematischen Zusammenhang stehen.

Claims (1)

1. -1- 72079

   Patentansprüche:

   1. Verfahren zur akustischen Bestimmung mechanischer Stoffkennwerte von Schüttgütern, gekennzeichnet dadurch, daß die durch den unbekannten Stoff erfolgende Beeinflussung des Luftschalls im Hörfrequenzgebiet, beispielsweise die Schallabsorption, Reflexion oder Translation des Schalls, gemessen und daraus mechanische Kennwerte, wie Hohlraumvolumen, Formfaktoren, Struktur und dergleichen, bestimmt werden, in dem die funktioneilen Zusammenhänge, beispielsweise als Funktion des akustischen Strukturfaktors f₃ = (p(s) und/oder spezifischen Hohlraumvolumens σ_ρ als Funktion des akustischen Strukturfaktors s, des Schallabsorptionsgrades und eines die Form charakterisierenden f₃