DE10132533A1

DE10132533A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Dichtemessung

Info

Publication number: DE10132533A1
Application number: DE2001132533
Authority: DE
Inventors: G Nimtz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-07-09
Filing date: 2001-07-09
Publication date: 2003-01-30
Anticipated expiration: 2021-07-10
Also published as: DE10132533B4

Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zur schnellen und hochauflösenden Bestimmung der Gaskonzentration eines Materials aus mehrphasigen Komponenten. Um ohne Materialentnahme bei geringem Aufwand einen erheblich genaueren und kostengünstigeren Nachweis auch geringer Anteile gasförmiger Komponenten in dem Material zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, dass die Dämpfung einer elastischen Schwingung durch das angekoppelte Material gemessen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie Vorrichtungen zur schnellen und hochauflösenden Bestimmung der Gaskonzentration eines Materials aus mehrphasigen Komponenten.
Heterogene Materialien finden verbreiteten Einsatz in den unterschiedlichsten Anwendungsgebieten, so z. B. im Straßenbau, bei dem der Asphalt eben ein solches heterogenes Material darstellt. Bei diesem sind häufig die vier unterschiedlichen Komponenten Luft, flüssiger oder erstarrter Bitumen, Wasser und feste Mineralien anzutreffen.
Aus der Technik der Dichtemessung von Materialien mit mehrphasigen Komponenten sind verschiedene Verfahren bekannt. So werden bei dem angeführten Asphalt als heterogenem Material sowohl gravimetrische als auch radioaktive Messverfahren zur Dichtebestimmung eingesetzt. Ersteres weist den Nachteil auf, dass aus dem zu untersuchenden Material zunächst Proben zum nachträglichen Wiegen entnommen werden müssen. Der Nachteil des zweiten Verfahrens beruht im Wesentlichen auf dem zwingend notwendigen Einsatz radioaktiver Strahlungsquellen und dem damit verbundenen hohen Aufwand für Sicherheitsvorkehrungen. Darüber hinaus ist die Genauigkeit dieser Verfahren im praktischen Einsatz zu bemängeln, diese ist geringer als 1% Luftanteil im Volumen des heterogenen Materials.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und Vorrichtungen zur Verfügung zu stellen, welche ohne eine Materialentnahme bei geringem Aufwand einen erheblich genaueren und kostengünstigen Nachweis auch geringer Anteile gasförmiger Komponenten in einem phasenmäßig heterogenen Material erlauben.
Die Aufgabe wird durch das Verfahren und die Vorrichtungen gemäß Anspruch 1 bzw. 5 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß Anspruch 1 und Anspruch 5 sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 4 und 6 bis 11.
Der wesentliche Gedanke der Erfindung beruht auf dem Einsatz von mechanischen Schwingern und elastischen Wellen für die angestrebte Dichtemessung. Die impulsförmig oder kontinuierlich ausgesandten Wellen rühren dabei von denjenigen Schwingungen her, die durch das Schwingen eines Pendels verursacht werden. Die elastischen Schwingungen werden im Frequenzbereich des Hörens auch Schallwellen genannt.
Die quantitative Bestimmung des Gasgehaltes eines heterogenen Materials erfolgt aus den effektiven elastischen Transmissions- und Reflexionseigenschaften, die komplex, also aus einem Real- und Imaginärteil zusammengesetzt, sind. Insbesondere wird hierzu der imaginäre, also der dämpfende Anteil des Transmissionskoeffizienten zur Bestimmung der Konzentration der Gaskomponenten herangezogen. Dabei wird beispielsweise die Änderung der Dämpfung eines elastischen Schwingers durch die Ankopplung, etwa beim Aufprall eines Pendels, über elastische Wellen an das zu analysierende Material zur Ermittlung des Gasgehaltes genutzt. Die Veränderung der Güte und damit der Dämpfung des Schwingers oder der Welle ist dann ein Maß für den Gasgehalt.
Hat vorher eine Kalibrierung auf die Dämpfung des entsprechenden Materials stattgefunden, kann bei den anschließenden Messungen der Gaskonzentration in dem heterogenen Material eine Auflösung erreicht werden, die signifikant besser als 1% des Gasvolumens ist. So wurde bei Experimenten mit verschiedenen Federpendeln der Nachweis einer Änderung um 0,5% Luftgehalt in Asphaltproben erbracht. Die gravimetrisch bestimmte Änderung um +0,5% Luftanteil am Gesamtvolumen entsprach dabei einer Änderung der Impulsaustauschzeit eines Federpendels beim Aufschlag auf dasselbe Material um +12%.
Diese hohe Auflösung für die Gaskomponente, also beispielsweise Luft, in einer phasenmäßig heterogenen Materialstruktur hat zwei Ursachen. Zum einen weist die Gasphase eine etwa 1000-fach höhere Kompressibilität, zum anderen eine etwa 100-fach höhere Dämpfung im Vergleich zu einer kondensierten Materiephase auf. Entsprechend proportional gewichten diese Eigenschaften der Gasphase die komplexen elastischen effektiven Gesamteigenschaften einer Heterostruktur. Insgesamt ist die Dämpfung eines elastischen Schwingungssystems dann umso größer, je größer die Gaskonzentration ist.
Die dämpfenden Eigenschaften des Asphalts beeinflussen insbesondere zwei besonders signifikante Messgrößen. Zunächst erfolgt die Geschwindigkeitsänderung eines Pendels an seiner Aufschlagstelle umso langsamer, je größer die Dämpfung ist. Beim Aufschlag wird der Impuls des Pendels um 180° gedreht. Die sich dabei ergebende Umkehrzeit kann beispielsweise vorteilhaft direkt durch eine Lichtschranke gemessen werden. Dabei ist denkbar, dass ein von einer Laserlichtquelle ausgesandter Lichtstrahl nur während der Zeit des Aufschlages durch dafür vorgesehene Aussparungen an dem Pendel oder durch Einrichtungen an dem Pendel tritt und auf einen Detektor fällt. Ferner kann die Umkehrzeit auch mittels eines kleinen, vom pendelnden System mitgeführten Permanentmagneten und einer ortsfesten Spule durch die Spannung, die in dieser induziert wird, bestimmt werden. Die induzierte Spannung ist dabei der Geschwindigkeitsänderung proportional.
Darüber hinaus ist der Energieverlust des Pendels umso größer, je größer die Dämpfung ist. Zur Aufrechterhaltung der Amplitude des Schwingers kann diese Energie mechanisch oder magnetisch zugeführt werden. Sie entspricht dann den Dämpfungsverlusten des an das Messobjekt, beispielsweise durch den Aufprall, gekoppelten Oszillators.
Ferner kann auch ein kontinuierlich schwingender Oszillator durch Anpressdruck an das zu analysierende heterogene Material mechanisch angekoppelt werden, der schematisch an den Schwingkopf eines elektrischen Rasierapparates erinnert. Eine Erhöhung der Gaskomponente um 1% im angekoppelten Material verändert dabei die Leistungsaufnahme des Oszillators bei einer Frequenz von 50 Hz um 2,4% von 5,80 W auf 5,94 W.

Claims

1. Verfahren zur schnellen und hochauflösenden Bestimmung der Gaskonzentration eines Materials aus mehrphasigen Komponenten, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfung einer elastischen Schwingung in dem Material gemessen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die komplexen elastischen Eigenschaften einer heterogenen Materials durch Messungen der Transmission von elastischen Wellen in dem Material bestimmt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die komplexen elastischen Eigenschaften eines heterogenen Materials durch Messungen der Reflexion von elastischen Wellen in dem Material bestimmt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass für die bei den Messungen eingesetzten Schallwellen bevorzugt Frequenzen im Bereich zwischen 0,1 Hz und 10 MHz verwendet werden.

5. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur schnellen und hochauflösenden Bestimmung der Gaskonzentration eines Materials aus mehrphasigen Komponenten, gekennzeichnet durch einen Oszillator, der über elastische Schwingungen an das zu analysierendes Material ankoppelbar ist und aus dessen Dämpfung der Gasgehalt in dem Material bestimmbar ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Oszillator ein Federpendel aufweist, dessen Schwingung in einer der beiden Auslenkrichtungen an das zu analysierende Material durch Aufschlagen ankoppelbar ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Federpendel so ausgelegt ist, dass es zur Messung einmal auf das Messobjekt aufschlägt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Messeinrichtung zur Messung der Umkehrzeit des Pendels aufweist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Messeinrichtung eine Lichtschranke vorgesehen ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Messeinrichtung ein Permanentmagnet, der in einer Spule eine Spannung induziert, vorgesehen ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Oszillator einen Schallerreger und ein Luftrohr aufweist, an dessen einem Ende der Schallerreger und an dessen anderem Ende das zu analysierende Material zur Ankoppelung über eine geschlossene Luftsäule anordenbar sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Oszillator einen Schallerreger und ein elastisches Material aufweist, und das elastische Material zwischen dem Schallerreger und dem zu analysierenden Material zur Ankoppelung anordenbar ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen kontinuierlich schwingenden Oszillator, der mittels Anpressdruck an das zu analysierende Material ankoppelbar ist.