DE102014218371A1

DE102014218371A1 - Handmessgerät und Verfahren zu dessen Betrieb

Info

Publication number: DE102014218371A1
Application number: DE102014218371.5A
Authority: DE
Inventors: Reiner Krapf; Klaus Marx; Ulli Hoffmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-09-12
Filing date: 2014-09-12
Publication date: 2016-03-17
Also published as: US20170261443A1; CN106796189A; EP3191821A1; WO2016037759A1

Abstract

Die Erfindung geht aus von einem mobilen Messgerät (10), insbesondere Handmessgerät, umfassend ein Gehäuse (12) in dem zumindest eine Sensorvorrichtung (32), eine Steuervorrichtung (28) zur Ansteuerung der Sensorvorrichtung (32), eine Auswertevorrichtung (30) zur Auswertung von von der Sensorvorrichtung (32) gelieferten Messsignalen sowie eine Vorrichtung zur Energieversorgung (22) des Messgeräts (10) vorgesehen sind. Es wird vorgeschlagen, dass die Sensorvorrichtung (32) zumindest einen Kernspinresonanz-Sensor (32‘) aufweist, der zumindest zur Detektion und/oder Analyse und/oder Unterscheidung eines Materialkennwerts eines Werkstücks (42), insbesondere in einem Werkstück (42), vorgesehen ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Messgeräts (10).

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein mobiles, insbesondere handgehaltenes Messgerät, das ein Gehäuse aufweist, in dem zumindest eine Sensorvorrichtung, eine Steuervorrichtung zur Ansteuerung der Sensorvorrichtung, eine Auswertevorrichtung zur Auswertung von von der Sensorvorrichtung gelieferten Messsignalen sowie eine Vorrichtung zur Energieversorgung des Messgeräts vorgesehen sind.
Aus der DE 10 2005 062 874 A1 ist eine Vorrichtung zum Senden und/oder Empfangen elektromagnetischer Hochfrequenz-Signale bekannt, die es erlaubt, mittels induktiver Sensoren eine Ortung und/oder Detektion von in einem Medium eingeschlossenen Objekten durchzuführen.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße mobile Messgerät, insbesondere Handmessgerät, geht aus von einem Messgerät mit einem Gehäuse, in dem zumindest eine Sensorvorrichtung, eine Steuervorrichtung zur Ansteuerung der Sensorvorrichtung, eine Auswertevorrichtung zur Auswertung von von der Sensorvorrichtung gelieferten Messsignalen sowie eine Vorrichtung zur Energieversorgung des Messgeräts vorgesehen sind. Erfindungsgemäß weist die Sensorvorrichtung zumindest einen Kernspinresonanz-Sensor (NMR-Sensor) auf, der zumindest zur Detektion und/oder Analyse und/oder Unterscheidung eines Materialkennwertes eines Werkstücks, insbesondere eines Materialkennwertes in einem Werkstück, vorgesehen ist.
Unter Handmessgerät soll hier insbesondere verstanden werden, dass das Messgerät ohne Zuhilfenahme einer Transportmaschine lediglich mit den Händen, insbesondere mit einer Hand, transportiert und insbesondere auch während eines Messvorgangs entlang eines Werkstücks geführt werden kann. Dazu beträgt die Masse des Handmessgeräts insbesondere weniger als 5 kg, vorteilhaft weniger als 3 kg und besonders vorteilhaft weniger als 1 kg. Vorteilhaft kann das Messgerät einen Griff oder einen Griffbereich aufweisen, mit dem das Messgerät über einen zu untersuchenden Gegenstand, insbesondere über ein Werkstück geführt werden kann.
Es wird vorgeschlagen, dass die Komponenten der Sensorvorrichtung, der Steuervorrichtung, der Auswertevorrichtung sowie der Vorrichtung zur Energieversorgung des Messgeräts zumindest teilweise in dem Gehäuse des Messgeräts untergebracht sind. Insbesondere sind die Komponenten in ihrem Gesamtvolumen zu mehr als 50 %, bevorzugt zu mehr als 75 % und besonders bevorzugt zu 100 % in dem Gehäuse des Messgeräts untergebracht. Vorteilhaft kann somit ein kompaktes, leicht einhändig führbares Messgerät realisiert werden. Des Weiteren lassen sich die Komponenten auf diese Weise vorteilhaft vor Beschädigungen und Umwelteinflüssen, beispielsweise Feuchtigkeit und Staub, schützen.
Das mobile Messgerät weist eine Steuervorrichtung zur Ansteuerung der Sensorvorrichtung auf. Unter der Steuervorrichtung soll insbesondere eine Vorrichtung mit zumindest einer Steuerelektronik verstanden werden, die Mittel zur Kommunikation mit den anderen Komponenten des Messgeräts, beispielsweise Mittel zur Steuerung und Regelung der Sensorvorrichtung, und/oder Mittel zur Datenverarbeitung und/oder weitere, dem Fachmann als sinnvoll erscheinende Mittel aufweist. Insbesondere ist die Steuervorrichtung dazu vorgesehen, zumindest einen Betriebsfunktionsparameter des Messgeräts in Abhängigkeit von zumindest einer Nutzereingabe und/oder einem Auswerteergebnis der Auswerteeinheit einzustellen. Unter „vorgesehen“ soll insbesondere speziell „programmiert“, „ausgelegt“ und/oder „ausgestattet“ verstanden werden. Darunter, dass ein Objekt zu einer bestimmten Funktion „vorgesehen“ ist, soll insbesondere verstanden werden, dass das Objekt diese bestimmte Funktion in zumindest einem Anwendungs- und/oder Betriebszustand erfüllt und/oder ausführt oder dazu ausgelegt ist, die Funktion zu erfüllen. Vorteilhaft kann unter der Steuerelektronik der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung eine Prozessoreinheit in Verbindung mit einer Speichereinheit sowie mit einem in der Speichereinheit gespeicherten Betriebsprogramm verstanden werden, das während des Steuervorgangs ausgeführt wird. Insbesondere können die elektronischen Bauteile der Steuervorrichtung auf einer Platine (Leiterplatte) angeordnet sein, bevorzugt in Form eines Mikrokontrollers. Besonders vorteilhaft kann die Steuervorrichtung darüber hinaus dazu vorgesehen sein, das gesamte Messgerät zu steuern und dessen Betrieb zu ermöglichen. Dazu ist die Steuervorrichtung vorgesehen, mit den anderen Komponenten des Messgeräts, insbesondere der Sensorvorrichtung, der Auswertevorrichtung, einer Eingabe- und/oder Ausgabevorrichtung sowie der Datenkommunikationsschnittstelle zu kommunizieren.
Unter der Auswertevorrichtung zur Auswertung zumindest eines von der Sensorvorrichtung gelieferten Messsignals soll zumindest eine Vorrichtung verstanden werden, die einen Informationseingang zur Annahme der Messsignale der Sensorvorrichtung, eine Informationsverarbeitungseinheit zur Bearbeitung, insbesondere Auswertung der angenommenen Messsignale, sowie eine Informationsausgabe zur Weitergabe der bearbeiteten und/oder ausgewerteten Messsignale aufweist. Vorteilhaft weist die Auswerteeinheit Komponenten auf, die zumindest einen Prozessor, einen Speicher und ein Betriebsprogramm mit Auswerte- und Berechnungsroutinen umfassen. Insbesondere können die elektronischen Bauteile der Auswertevorrichtung auf einer Platine (Leiterplatte) angeordnet sein, bevorzugt auf einer gemeinsamen Platine mit der Steuervorrichtung, besonders bevorzugt in Form eines Mikrokontrollers. Des Weiteren können die Steuervorrichtung und die Auswertevorrichtung besonders bevorzugt auch als ein einzelnes Bauteil ausgeführt sein. Die Auswertevorrichtung ist vorgesehen, die von der Sensorvorrichtung erhaltenen Messsignale auszuwerten und daraus zumindest Informationen betreffend Detektion und/oder Analyse und/oder Unterscheidung von Materialkennwerten in einem Werkstück, insbesondere Materialeinschlüssen und/oder Objekten in einem Werkstück, abzuleiten.
Des Weiteren kann die Auswerte- und/oder die Steuervorrichtung gespeicherte Korrektur- und/oder Kalibriertabellen aufweisen, die es erlauben, Auswerteergebnisse zu interpretieren und/oder umzurechnen und/oder zu inter- und/oder extrapolieren sowie das Messgerät insbesondere hinsichtlich eines Werkstückmaterials zu kalibrieren.
Die Vorrichtung zur Energieversorgung des Messgeräts ist dazu vorgesehen, das Messgerät zur Inbetriebnahme und während des Betriebs mit elektrischer Energie zu versorgen. Bevorzugt handelt es sich bei dieser Vorrichtung um einen stromnetzunabhängigen Energiespeicher, insbesondere einen Akkumulator, eine Batterie, eine Brennstoffzelle, einen Kondensator, einen anderweitigen, dem Fachmann sinnvoll erscheinenden Energiespeicher oder eine Kombination/Mehrung derer. Vorzugsweise eigenen sich zur Energieversorgung des Messgeräts insbesondere Akkumulatoren mit einer Zellchemie, die eine hohe Leistungs- und/oder Energiedichte bereitstellt. Dazu gehören derzeit beispielsweise Akkumulatoren der Lithium- und Lithium-Ionen-Zellchemie, insbesondere Lithium-Eisenphosphat-, Lithium-Manganoxid-, Lithium-Nickel-Cobalt-Mangan-Oxid-, überlithiierte Lithium-Nickel-Cobalt-Mangan-Oxid-, Lithium-Schwefel-, Lithium-Polymer- und Lithium-Sauerstoff-Akkumulatoren. Vorzugsweise weist die Vorrichtung zur Energieversorgung eine lösbare Formschluss- und/oder Kraftschlussverbindungsschnittstelle auf. Unter lösbar soll in diesem Zusammenhang insbesondere zerstörungsfrei trennbar verstanden werden. Somit ist die Vorrichtung zur Energieversorgung bevorzugt abnehmbar und austauschbar an dem Messgerät anordenbar. Besonders bevorzugt lässt sich die abnehmbare Vorrichtung zur Energieversorgung in und/oder außerhalb des Messgeräts wieder mit Energie aus einem Stromnetz versorgen und laden.
Unter Materialeinschlüssen sollen insbesondere Einschlüsse bzw. Objekte von andersartigen, metallischen und/oder nichtmetallischen Materialien in einem Material, insbesondere in dem Material des Werkstücks, verstanden werden. Beispielsweise stellen Holz- und Stahleinschlüsse in Beton, Rohrleitungen und Kabelleitungen in einer Wand, Feuchtigkeit in einem Beton-Estrich, aber auch Hohlräume in einem Material derartige Materialeinschlüsse dar.
Unter einem Werkstück sollen insbesondere zusammenhängende Teile eines Materials verstanden werden. Beispielsweise und nicht abschließend kann es sich dabei um eine Wand, einen Boden, eine Decke, Estrich, ein organisches Gebilde (insbesondere Teile eines Körpers) und/oder ein Teil eines Geländes handeln. Bestehen können diese Werkstoffe beispielsweise insbesondere aus Holz, Glas, Kunststoff, Beton, Stein, Ziegel, Gips, Metall, organischen Materialien oder dergleichen. Des Weiteren lassen sich prinzipiell auch Flüssigkeiten untersuchen.
Erfindungsgemäß weist die Sensorvorrichtung des Messgeräts zumindest einen Kernspinresonanz-Sensor auf, der zumindest zur Detektion und/oder Analyse und/oder Unterscheidung von Materialkennwerten in einem Werkstück vorgesehen ist. Die Funktionsweise des Kernspinresonanz-Sensors basiert auf dem kernphysikalischen Effekt, bei dem Atomkerne einer Materialprobe, insbesondere in dem Werkstück, in einem Magnetfeld elektromagnetische Wechselfelder absorbieren und emittieren. Dabei beruht die Kernspinresonanz auf der Präzession (Larmorpräzession) von Kernspins der Atomkerne in der Materialprobe um die Magnetfeldlinien eines konstanten, insbesondere statischen, ersten Magnetfelds. Insbesondere werden die Kernspins der Atomkerne in der Materialprobe durch das erste Magnetfeld ausgerichtet. Wird Energie in Form eines zweiten elektromagnetischen Feldes, insbesondere eines Wechselfeldes, beispielsweise eines gepulsten Magnetfeldes, auf die Atomkerne eingestrahlt, die mit der Larmorpräzession deren Kernspins in Resonanz ist (Energiequanten), so können die Atomkerne die Orientierung ihrer Spins relativ zum ersten Magnetfeld durch Absorption dieser Energie ändern. Das zweite eingestrahlte Magnetfeld dient daher der Anregung der Kernspins, die unter Energieaufnahme ihre Kernspinzustände ändern. Äquivalent führt die Emission von Energiequanten in Folge einer Rückkehr der angeregten Kernspins in ein anderes, niedrigeres Energieniveau, zur Emission eines elektromagnetischen Wechselfeldes, welches sich mittels einer Vorrichtung zur Detektion einer Magnetfeldänderung, insbesondere mittels einer Antenne und/oder einer Spule, beobachten lässt.
Vorteilhaft erlaubt der Kernspinresonanz-Sensor Atomkerne der Materialprobe im Werkstück mittels elektromagnetischer Wechselfelder anzuregen sowie ein Ausgangssignal aufgrund eines Kernspinresonanzeffektes zu generieren. Bei geeigneter Wahl der Betriebsparameter des Kernspinresonanz-Sensors kann mittels der Amplitude und/oder Relaxationszeiten des Antwortsignals unmittelbar auf Materialkennwerte, insbesondere Materialeinschlüsse und/oder Materialinhomogenitäten, in dem untersuchten Volumen geschlossen werden.
Unter Anregung von Atomkernen soll insbesondere verstanden werden, dass die Energie der eingestrahlten elektromagnetischen Felder, insbesondere Wechselfelder, eine Änderung der Kernspins der Atomkerne bewirkt. Ferner wird im Folgenden davon ausgegangen, dass insbesondere veränderliche Magnetfelder mit elektrischen Feldern gekoppelt sind (vgl. Maxwell-Gleichungen), sodass keine Unterscheidung zwischen elektrischem Feld und Magnetfeld vorgenommen wird. Zur Anregung von Kernspinresonanz-Effekten kommt es insbesondere auf die durch eine eingestrahlte elektromagnetische Strahlung übertragene Energie an. Vorteilhaft lässt sich diese Energie mittels gepulster elektromagnetischer Felder übertragen.
Zur Durchführung der Messung wird das mobile Messgerät, insbesondere der darin enthaltene Kernspinresonanz-Sensor, nahe an das zu untersuchende Werkstück herangebracht.
Unter „Detektion und/oder Analyse und/oder Unterscheidung von Materialkennwerten in einem Werkstück“ soll insbesondere verstanden werden, aus den erhaltenen Kernspinresonanzmessdaten Aussagen abzuleiten, die unter anderem einen relativen und/oder absoluten Kohlenwasserstoffgehalt und/oder Bindungszustände chemischer Verbindungen und/oder Konzentrationsgradienten eines Materials in das Werkstück hinein und/oder zeitlich-dynamische Prozesse chemischer Verbindungen und/oder einen relativen und/oder absoluten Feuchtegehalt und/oder weitere bautechnisch relevante Parameter, insbesondere Salzgehalt, Zusammensetzung und/oder Porosität des Materials des Werkstücks auszuwerten.
Besonders vorteilhaft erlaubt das mobile Messgerät die Detektion und/oder Analyse und/oder Bestimmung von Materialkennwerten, insbesondere Materialeinschlüssen und Objekten, in einem Werkstück ohne Zerstörung des Werkstücks. Insbesondere handelt es sich bei dem Messverfahren um ein nicht zerstörendes, insbesondere kontaktloses Messverfahren, d.h. ein Materialkennwert kann in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Messgeräts auch ohne jeglichen Kontakt des Messgeräts zu der zu vermessenden Probe, gegebenenfalls auch ohne Kontakt zu dem zu untersuchenden Werkstück, erhalten werden. Das Positionieren des Messgerätes, insbesondere des darin enthaltenen Kernspinresonanz-Sensors in unmittelbarer Nähe der Werkstückoberfläche ermöglicht die Untersuchung des Werkstücks bis zu einer Materialtiefe von einigen Zentimeter in das Werkstück hinein. Wesentliche Zielgrößen des Messgeräts sind die Position, Größe, Ausrichtung und Tiefe eines Materialeinschlusses und/oder einer Materialinhomogenität und/oder eines Objekts in dem Werkstück.
Zur genauen Vermessung von Werkstücken kann eine Kalibrierung des Messgeräts, insbesondere eine Kalibrierung der Sensorvorrichtung, vorgesehen werden. Beispielsweise kann eine Kalibriermessung an einer reinen Materialprobe (z.B. reines Metall), die nach Einschalten des Messgeräts durchgeführt wird, zur Festlegung einer maximal detektierbaren Konzentration und somit zur Kalibrierung des Messgeräts durchgeführt werden. Alle dann folgenden Messungen, insbesondere Messungen an einem zu untersuchenden Werkstück, werden anschließend in Bezug zu dieser Kalibriermessung ausgewertet. Ferner können, wenn das mittels der Sensorvorrichtung untersuchte Volumen bekannt ist, ein Absolutwert sowie volumetrische Größen, insbesondere eine Konzentration, eine Volumen-Prozent-Information oder dergleichen, ausgewertet werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Messgeräts ist eine Eingabevorrichtung zur Eingabe von Arbeitsparametern vorhanden, insbesondere im Gehäuse des Messgeräts vorhanden.
Unter einer Eingabevorrichtung soll insbesondere ein Mittel verstanden werden, das dazu vorgesehen ist, zumindest eine Information von einem Bediener des Messgeräts (dann insbesondere Benutzerschnittstelle) und/oder einem anderen Gerät über eine akustische, optische, gestengestützte und/oder taktile Eingabe anzunehmen und an die Steuervorrichtung des Messgeräts weiterzuleiten.
Beispielsweise kann die Eingabevorrichtung aus einem Betätigungselement, einer Tastatur, einem Display, insbesondere einem Touch-Display, einem Spracheingabemodul, einer Gestenerkennungseinheit und/oder einem Zeigegerät (beispielsweise Maus) bestehen. Ferner kann die Eingabevorrichtung zusätzlich auch außerhalb des Messgeräts vorhanden sein, beispielsweise in Form eines externen Datengeräts wie einem Smartphone, einem Tablet-PC, einem PC, oder in Form eines anderen, einem Fachmann als sinnvoll erscheinenden externen Datengeräts, das über eine Datenkommunikationsschnittstelle mit der Steuervorrichtung des Messgeräts verbunden ist.
Arbeitsparameter bezeichnen alle notwendigen und/oder sinnvollen Betriebsparameter des Messgeräts, insbesondere zu dessen Steuerung, sowie Parameter betreffend die Auswertung der Messergebnisse.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des mobilen Messgeräts ist eine Ausgabevorrichtung zur Ausgabe von Arbeitsparametern und/oder Auswerteergebnissen vorhanden, insbesondere im Gehäuse des Messgeräts vorhanden.
Unter Ausgabevorrichtung soll zumindest ein Mittel verstanden werden, das dazu vorgesehen ist, zumindest eine wechselnde Information akustisch, optisch und/oder taktil an einen Bediener auszugeben. Dies kann beispielsweise mittels eines Displays, eines Touch-Displays, eines Tonsignals, einer Veränderung eines Betriebsparameters, eines Vibrationsgebers und/oder einer LED-Anzeige realisiert werden. Insbesondere können auszugebende Informationen, beispielsweise Auswerteergebnisse und/oder Informationen betreffend einen Betriebszustand des Messgeräts, auch an eine Maschinensteuerung, insbesondere auch die Steuervorrichtung der Sensorvorrichtung, und/oder, insbesondere zur Erhöhung des Nutzerkomforts, an ein Daten verarbeitendes System ausgegeben werden. Letzteres umfasst zumindest eine Ausgabe einer Information an ein externes Geräte wie ein Smartphone, ein Tablet-PC, ein PC sowie an ein anderes, einem Fachmann als sinnvoll erscheinendes externes Datengerät, das über eine Datenkommunikations-schnittstelle mit der Auswertevorrichtung des Messgeräts verbunden ist.
Somit können also sowohl die Eingabevorrichtung als auch die Ausgabevorrichtung vorteilhaft direkt im Gehäuse des mobilen Messgeräts untergebracht sein oder alternativ auch ausgelagert werden und beispielsweise über externe Vorrichtungen realisiert werden. Letztere Realisierungsmöglichkeit umfasst explizit die Steuerung, Auswertung und Ausgabe der Messergebnisse über drahtgebundene und/oder drahtlose externe Systeme wie beispielsweise Fernbedienungen, Computersteuerungen, Tablet-PCs und/oder andere mobile Geräte wie Mobiltelefone, Smartphones etc.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des mobilen Messgeräts sind die Eingabevorrichtung und/oder die Ausgabevorrichtung auf einer ersten Gehäuseseite des Messgerätes angeordnet.
Gehäuseseite meint insbesondere eine das Messgerät zu seiner Umgebung hin begrenzende Außenwand des Gehäuses. Unter „auf einer Gehäuseseite untergebracht“ soll verstanden werden, dass die Eingabevorrichtung und/oder die Ausgabevorrichtung auf der ersten Gehäuseseite in deren Oberfläche eingesetzt, aufgebracht oder anderweitig befestigt sind/ist. Insbesondere kann das Gehäuse auch selbst Bestandteil der Eingabe- bzw. Ausgabevorrichtung sein.
Vorteilhafter Weise ist die erste Gehäuseseite bei der Anwendung des Messgeräts dem Bediener zugewandt.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des mobilen Messgeräts weist der Kernspinresonanz-Sensor des mobilen Messgeräts eine erste Vorrichtung zur Erzeugung eines ersten Magnetfelds, insbesondere eines Magnetfelds mit definiertem Feldgradienten, eine zweite Vorrichtung, insbesondere eine Hochfrequenzspule und/oder eine Antenne, zur Erzeugung eines zweiten, das erste Magnetfeld überlagernden Magnetfelds auf, wobei die Steuervorrichtung zumindest eine Steuereinheit zur Steuerung der zweiten Vorrichtung aufweist, wobei die Steuereinheit insbesondere zur Modifikation des zweiten Magnetfelds, insbesondere zur Erzeugung von Pulssequenzen, vorgesehen ist.
Das durch die erste Vorrichtung erzeugte erste Magnetfeld dient der Ausrichtung der Kernspins der in dem Material des Werkstücks vorhandenen Atomkerne in dem Sinne, dass sich die Kernspins auf Grund ihres magnetischen Kernspinmoments an den Magnetfeldlinien des Magnetfelds ausrichten, insbesondere um die Magnetfeldlinien des Magnetfelds präzidieren. Eine Anregung der Kernspins erfolgt in Folge einer Einstrahlung von Energie in Form eines mittels der zweiten Vorrichtung erzeugten elektromagnetischen Feldes, insbesondere eines elektromagnetischen Wechselfeldes, beispielsweise eines gepulsten Magnetfeldes.
Unter der ersten Vorrichtung zur Erzeugung eines ersten Magnetfelds, insbesondere mit definiertem Feldgradienten, können insbesondere Vorrichtungen wie Permanentmagnete, Elektromagnete, Spulenvorrichtungen verstanden werden. Das von der ersten Vorrichtung erzeugte Magnetfeld wird typischerweise mit B₀ bezeichnet.
Unter der zweiten Vorrichtung zur Erzeugung eines zweiten Magnetfelds können prinzipiell die gleichen Mittel verstanden werden, vorteilhaft wird diese zweite Vorrichtung jedoch mittels einer Hochfrequenzspule und/oder einer Antenne realisiert. Besonders vorteilhaft wird die Hochfrequenzspule mit einer Frequenz im Mega-Hertz-Bereich betrieben. Insbesondere liegt die Frequenz unter 900 Mega-Hertz, bevorzugt unter 200 Mega-Hertz und besonders bevorzugt unter 50 Mega-Hertz.
Die Steuereinheit zur Steuerung der zweiten Vorrichtung, d.h. zur Steuerung vorzugsweise der Hochfrequenzspule, ermöglicht es, Pulssequenzen des zweiten Magnetfelds zu erzeugen, sodass das durch die zweite Vorrichtung erzeugte zweite Magnetfeld zeitlich und ortsabhängig modifiziert werden kann. Mittels der Pulssequenzen können besonders vorteilhaft die Kernspins der Atomkerne des Materials, das in dem untersuchten Werkstück vorhanden ist, durch elektromagnetische Wechselfelder zur Absorption und Emission von Energiequanten, insbesondere zu Resonanz angeregt werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Messgeräts weist der Kernspinresonanz-Sensor eine Vorrichtung zur Detektion einer Magnetfeldänderung, insbesondere eine Empfangsspule zur Detektion einer Magnetfeldänderung auf, die es ermöglicht, mittels durch Kernspinrelaxation verursachte Magnetfeldänderungen auf materialspezifische Kenngrößen zu schließen. Vorteilhaft kann mit der Vorrichtung zur Detektion einer Magnetfeldänderung ein Kernspinresonanzeffekt der in dem Werkstück vorhandenen und angeregten Kernspins der Atomkerne in Folge einer Beeinflussung des ersten und/oder des zweiten Magnetfelds detektiert werden. Ein Umklappen der Kernspins der Atomkerne, bei dem ein elektromagnetisches Feld emittiert wird, kann besonders vorteilhaft mittels einer Empfangsspule in Form einer durch die Magnetfeldvariation induzierten Spannung und/oder einen induzierten Strom detektiert werden. Diese Spannung und/oder dieser Strom kann zur Auswertung des Kernspinsignals an die Auswertevorrichtung weitergeleitet werden.
In einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Messgeräts kann die Empfangsspule auch durch die Hochfrequenzspule der zweiten Vorrichtung zur Erzeugung des zweiten Magnetfelds realisiert sein. In diesem Fall macht sich die Resonanz der Kernspins der Atomkerne dadurch bemerkbar, dass ein Umklappen der Kernspins, gefolgt von einer Aussendung eines elektromagnetischen Felds, in der Spule eine Spannung (äquivalent: einen Strom) induziert, die sich mit der angelegten Wechselspannung überlagert, sodass Einflüsse auf die zur Betreibung der Hochfrequenzspule nötige Leistung detektiert werden können.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Messgeräts ist das durch die erste Vorrichtung des Kernspinresonanz-Sensors erzeugte erste Magnetfeld im Wesentlichen parallel zu einer zweiten Gehäuseseite des Messgeräts und das durch die zweite Vorrichtung erzeugte Magnetfeld im Wesentlichen senkrecht zu dem ersten Magnetfeld ausgerichtet.
Die zweite Gehäuseseite ist insbesondere eine im Wesentlichen ebene Außenwand des Gehäuses, die das Messgerät zu seiner Umgebung hin begrenzt. Insbesondere ist die zweite Gehäuseseite bei Anwendung des Messgeräts dem zu untersuchenden Werkstück zugewandt. Vorteilhaft liegt die zweite Gehäuseseite der die Eingabevorrichtung und/oder die Ausgabevorrichtung aufnehmenden ersten Gehäuseseite geräterückseitig gegenüber und ist somit bei Anwendung des Messgeräts von einem Bediener abgewandt.
Die Orientierung des ersten Magnetfelds kann durch zumindest zwei Permanentmagnetpole (Nord, Süd) eines Permanentmagneten erzeugt werden, insbesondere wenn sich die Pole in einer Nord-Süd-Ausrichtung parallel zur und in der Nähe der zweiten Gehäuseseite befinden. Diese Anordnung lässt sich insbesondere konstruktiv einfach durch Verwendung eines Hufeisenmagnets realisieren.
Das zur Ausrichtung der Kernspins der in der Materialprobe vorhandenen Atomkerne verwendete erste Magnetfeld weist insbesondere eine Magnetfeldstärke von mehr als 0.1 Tesla auf, bevorzugt von mehr als 1.5 Tesla und besonders bevorzugt von mehr als 5 Tesla. Insbesondere eignen sich starke Permanentmagnete zur Erzeugung dieses Magnetfeldes, beispielsweise hergestellt aus Ferriten oder bevorzugt als Eisen-Cobalt-Nickel-Legierung oder besonders bevorzugt als Neodym-Eisen-Bor- oder Samarium-Cobalt-Legierung.
Alternativ kann die Magnetfeldausrichtung des ersten Magnetfelds durch zumindest zwei Permanentmagnete realisiert werden, die senkrecht zur Oberfläche der zweiten Gehäuseseite des Messgeräts antiparallel, insbesondere innerhalb des Gehäuses, und in der Nähe der zweiten Gehäuseseite ausgerichtet sind. Die vom Nordpol des ersten Permanentmagneten zum Südpol des zweiten Permanentmagneten verlaufenden Magnetfeldlinien können als im Wesentlichen parallel zur zweiten Gehäuseoberfläche des Messgeräts angesehen werden, wenn die beiden Permanentmagnete mit einem Abstand zueinander ausgerichtet sind. Insbesondere soll unter „im Wesentlichen parallel“ verstanden werden, dass ein erster Bereich existiert, in dem die das erste Magnetfeld beschreibenden Magnetfeldlinien als nahezu parallel angesehen werden können. Insbesondere beträgt in diesem ersten Bereich die Abweichung der Magnetfeldlinien von einer theoretischen Parallele weniger als 20 Grad, vorteilhaft weniger als 10 Grad und besonders vorteilhaft weniger als 5 Grad.
Das zweite Magnetfeld, das zum ersten Magnetfeld und somit auch zur zweiten Gehäuseseite im Wesentlichen senkrecht verläuft, kann in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform mit einer Spule und/oder einer Antenne, insbesondere mit einer Hochfrequenzspule, erzeugt werden. Die Spule ist dazu insbesondere in einer Ebene parallel und in unmittelbarer Nähe zur Oberfläche der zweiten Gehäuseseite, vorzugsweise im Inneren des Gehäuses, alternativ auch außen auf dem Gehäuse oder in der Gehäusewand, angeordnet. Die Magnetfeldlinien des durch die stromdurchflossene Spule erzeugten Magnetfelds verlaufen in Nähe der Spule senkrecht zur Spulenebene. Unter „im Wesentlichen senkrecht zu dem ersten Magnetfeld“ soll hier verstanden werden, dass ein zweiter Bereich existiert, in dem die das zweite Magnetfeld beschreibenden Magnetfeldlinien als nahezu senkrecht zu den Magnetfeldlinien des ersten Magnetfelds angesehen werden können. Insbesondere beträgt die Winkel-Abweichung der Magnetfeldlinien des ersten und des zweiten Magnetfelds von der Senkrechten weniger als 20 Grad, vorteilhaft weniger als 10 Grad und besonders vorteilhaft weniger als 5 Grad. Besonders vorteilhaft fallen der erste und der zweite Bereich zusammen.
Die Magnetfeldausrichtung des ersten Magnetfelds kann ebenfalls erreicht werden durch zwei parallel zur zweiten Gehäuseseite und kollinear angeordnete Permanentmagnete, d.h. in Nord-Süd/Nord-Süd-Abfolge, wobei sich zwischen diesen beiden Permanentmagneten eine Hochfrequenzspule befindet, deren Wicklungsebene kollinear zur Erstreckungsrichtung der Permanentmagnete und parallel zur zweiten Gehäuseseite liegt. Die beschriebene Anordnung ist dabei ebenfalls in Nähe zur zweiten Gehäuseseite positioniert.
Durch geeignete Positionierung der Vorrichtungen zur Erzeugung der Magnetfelder in Nähe zur zweiten Gehäuseseite wird vorteilhaft erreicht, dass sich der Bereich, in dem sich die beiden Magnetfelder überlagern, zumindest teilweise außerhalb des Gehäuses des Messgeräts befindet, sodass ein Eingriff der Magnetfelder in das zu untersuchende Werkstück ermöglicht wird.
In einer alternativen Ausführungsform ist das durch die erste Vorrichtung des Kernspinresonanz-Sensors erzeugte erste Magnetfeld im wesentlichen senkrecht zu einer zweiten Gehäuseseite des Messgeräts und das durch die zweite Vorrichtung erzeugte zweite Magnetfeld im wesentlichen senkrecht zu dem ersten Magnetfeld ausgerichtet.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Messgeräts sind/ist die erste Vorrichtung zur Erzeugung des ersten Magnetfelds und/oder die zweite Vorrichtung zur Erzeugung des zweiten Magnetfelds von zumindest einer magnetischen Schirmung zumindest teilweise umgeben.
Diese magnetische Schirmung, die insbesondere aus ferromagnetischen Materialien und/oder Mu-Metall und/oder elektrisch leitenden Elementen bestehen kann, erlaubt die Beeinflussung des Verlaufs der Magnetfeldlinien und somit eine Optimierung des Bereichs, in dem sich die Magnetfelder überlagern. Letzteres meint insbesondere eine Verkleinerung oder Vergrößerung des Überlagerungsbereichs und/oder eine Homogenisierung der Magnetfelder und/oder Parallelisierung der Magnetfeldlinien und/oder eine beliebige andere Beeinflussung der Magnetfeldgradienten beider Magnetfelder.
Unter Mu-Metall (auch: µ-Metall) ist eine weichmagnetische Legierung hoher magnetischer Permeabilität zu verstehen, die zur Abschirmung von Magnetfeldern verwendbar ist.
Besonders vorteilhaft kann diese magnetische Schirmung auch dazu verwendet werden, die von dem Kernspinresonanz-Sensor verwendeten Magnetfelder zumindest teilweise gegen andere Störeinflüsse, insbesondere elektromagnetische Strahlung, abzuschirmen und/oder Komponenten des mobilen Messgeräts selbst zumindest teilweise gegenüber elektromagnetischer Strahlung des messgerätinternen Kernspinresonanz-Sensors abzuschirmen.
Desweiteren wird vorgeschlagen, dass der Kernspinresonanz-Sensor zumindest eine Vorrichtung zur Homogenisierung der von der ersten und/oder zweiten Vorrichtung erzeugten Magnetfelder aufweist.
Unter Homogenisierung eines Magnetfelds soll insbesondere verstanden werden, dass die das Magnetfeld beschreibenden Magnetfeldlinien sowie dessen lokale Magnetfeldstärke nur geringen, idealerweise keinen Variationen unterliegt und insbesondere keine Feldverzerrungen aufweist.
Unter dieser Vorrichtung kann insbesondere eine Spule verstanden werden, auch Shim-Spule genannt, mit deren Hilfe Korrekturfelder erzeugt werden, die die durch die erste sowie die zweite Vorrichtung erzeugten Magnetfelder überlagern und bei geeigneter Ansteuerung homogenisieren und/oder in gewünschtem Maße beeinflussen.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des mobilen Messgeräts ist die zweite Vorrichtung des Kernspinresonanz-Sensors zur Erzeugung des zweiten Magnetfelds, insbesondere die Hochfrequenzspule, zerstörungsfrei austauschbar realisiert.
Auf diese Weise kann realisiert werden, dass Spulen mit unterschiedlichen Charakteristiken, insbesondere Windungszahlen, Geometrie sowie Drahtstärken, zerstörungsfrei durch einen Nutzer des Messgeräts getauscht und anschließend verwendet werden können. Vorteilhaft können durch geeignete Wahl der Spule die durch die zweite Vorrichtung erzeugten Magnetfelder variiert und den erforderlichen Betriebsbedingungen, insbesondere dem Material des zu untersuchenden Werkstücks, angepasst werden. Des Weiteren kann erreicht werden, dass der Bereich, in dem sich das erste und das zweite Magnetfeld überlagern, in seiner Lage verschoben und/oder in seiner Geometrie modifiziert wird.
Zur Realisierung der Austauschbarkeit kann das Messgerät insbesondere auf der zweiten Gehäuseseite einen Zugang zur zweiten Vorrichtung des Kernspinresonanz-Sensors aufweisen.
In einer Ausführungsform des mobilen Messgeräts definieren die Magnetfelder des Kernspinresonanz-Sensors einen ersten sensitiven Bereich des Kernspinresonanz-Sensors, insbesondere einen schichtförmigen Bereich, der sich im Wesentlichen parallel und beabstandet zu der zweiten Gehäuseseite außerhalb des Gehäuses des Messgeräts erstreckt.
Dieser sensitive Bereich liegt insbesondere im Überlagerungsfeld des ersten und des zweiten Magnetfelds. In Abhängigkeit der Frequenz (Larmorfrequenz) des eingestrahlten elektromagnetischen Felds und der statischen Magnetfeldstärke des ersten Magnetfelds wird der sensitive Bereich im Idealfall durch eine Fläche definiert, auf der die Magnetfeldstärke des ersten Magnetfelds konstant ist und insbesondere einen definierten Betrag aufweist. In Realität ist die Fläche auf Grund nicht exakter, d.h. nicht diskreter, Frequenzen tatsächlich schichtförmig. Da ferner die Magnetfeldlinien nicht exakt parallel verlaufen, kann der sensitive Bereich folglich entlang der Magnetfeldlinien gekrümmt und/oder inhomogen, insbesondere inhomogen bezüglich seiner Schichtausdehnung, sein.
Auf diese Weise kann besonders vorteilhaft erreicht werden, dass mittels Positionierung des mobilen Messgeräts an einer Werkstückoberfläche, wobei die zweite Gehäuseseite des Messgeräts in unmittelbarer Nähe zur Oberfläche des zu untersuchenden Werkstücks positioniert wird, die Magnetfelder in das Werkstück eindringen und der sensitive Bereich des Kernspinresonanz-Sensors in dem Werkstück zu liegen kommt.
In einer alternativen und/oder zusätzlichen Ausführungsform des Messgeräts kann die Sensorvorrichtung derart betrieben werden, dass sich der sensitive Bereich im Überlagerungsfeld der beiden Magnetfelder innerhalb des Gehäuses, insbesondere im Innern des Kernspinresonanz-Sensors, bevorzugt mittig zwischen den beiden das erste Magnetfeld aufspannenden Permanentmagnetpolen, befindet. Auf diese Weise kann konstruktiv einfach ein Messgerät realisiert werden, in das Materialproben zur Vermessung eingebracht werden können. Beispielsweise können auf diese Weise Materialproben mittels eines Probenröhrchens derart durch eine Öffnung in der zweiten Gehäuseseite des Messgeräts in das Messgerät eingebracht werden, dass sie mittig zwischen den beiden das erste Magnetfeld aufspannenden Permanentmagnetpolen und somit im sensitiven Bereich des Kernspinresonanz-Sensors zu liegen kommen. Besonders vorteilhaft kann vorgesehen sein, dass zwischen den unterschiedlichen Anordnungen des sensitiven Bereichs, insbesondere zwischen einer Positionierung des sensitiven Bereichs innerhalb und außerhalb des Gehäuses des Messgeräts, umgeschaltet werden kann. Eine solche Umschaltung kann vorteilhaft mechanisch (beispielsweise durch Schirmung und/oder Umpositionierung der ersten und/oder der zweiten Vorrichtung zur Erzeugung des ersten bzw. zweiten Magnetfelds im Messgerät) oder elektronisch (beispielsweise durch Veränderung der Frequenz in der Hochfrequenzspule) realisiert werden.
Wenn das durch den sensitiven Bereich definierte Volumen, d.h. das Volumen des Materials des Werkstücks, das in einer Messung untersucht wird, bekannt ist, können Absolutwerte sowie insbesondere auch volumetrische Größen, beispielsweise eine Konzentration, eine Volumen-Prozent-Information oder dergleichen, ausgewertet werden. Das durch den sensitiven Bereich definierte Volumen kann vorteilhaft konstruktionsbedingt und/oder durch eine apparative Messung bekannt sein.
Es wird ferner vorgeschlagen, dass sich der sensitive Bereich des Kernspinresonanz-Sensors entlang einer Senkrechten zu der zweiten Gehäuseseite des Messgeräts außerhalb des Gehäuses verschieben lässt, insbesondere mechanisch und/oder elektronisch, verschieben lässt, vorteilhaft um 1 cm, besonders vorteilhaft um 2 cm, insbesondere um 3 cm verschieben lässt.
Die Verschiebung des sensitiven Bereichs kann dabei vorteilhaft durch Modifikation der Magnetfelder, beispielsweise durch Änderung deren Geometrie und/oder Homogenität mittels einer Spule (sog. Shim-Spule) oder einer (verfahrbaren) magnetischen Schirmung, besonders vorteilhaft auch durch Änderung der Frequenz der Hochfrequenzspule, sowie durch mechanisches Verfahren des Kernspinresonanz-Sensors im Gehäuse des Messgeräts erreicht werden. Folglich kann der sensitive Bereich bei konstanter Positionierung des Messgeräts innerhalb des Werkstücks derart verschoben werden, dass auf einfache und besonders wirtschaftliche Weise eine tiefenaufgelöste Messung realisiert werden kann.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen mobilen Messgeräts liegt die zweite Gehäuseseite des Messgeräts der die Eingabevorrichtung und/oder die Ausgabevorrichtung aufnehmenden ersten Gehäuseseite gegenüber und ist insbesondere geräterückseitig angeordnet.
Auf diese Weise kann vorteilhaft erreicht werden, dass das Messgerät bei Positionierung mit dem sensitiven Bereich zu einem Werkstück hin, insbesondere mit der zweiten Gehäuseseite angrenzend an das Werkstück, über die an der ersten Gehäuseseite des Messgeräts aufgenommenen Eingabe- und/oder Ausgabevorrichtungen bedient werden kann bzw. Messergebnisse abgelesen werden können.
Es wird vorgeschlagen, dass in einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des mobilen Messgeräts die Auswertevorrichtung zur Auswertung von von der Sensorvorrichtung gelieferten Messsignalen ausgebildet ist und insbesondere dazu vorgesehen ist, zumindest eine Amplitude und/oder eine Relaxationszeit eines Messsignals, resultierend aus der Anregung von Kernspins in einem Werkstück durch das Magnetfeld der zweiten Vorrichtung, auszuwerten.
Besonders vorteilhaft ist die Auswertevorrichtung zur Auswertung von von der Sensorvorrichtung gelieferten Messsignalen ausgebildet, zumindest einen relativen und/oder absoluten Kohlenwasserstoffgehalt und/oder Bindungszustände chemischer Verbindungen und/oder Konzentrationsgradienten eines Materials in das Werkstück hinein und/oder zeitlich-dynamische Prozesse chemischer Verbindungen und/oder einen relativen und/oder absoluten Feuchtegehalt und/oder weitere bautechnisch relevante Parameter, insbesondere Salzgehalt, Zusammensetzung, Dichte und/oder Porosität des Materials des Werkstücks auszuwerten, insbesondere tiefenaufgelöst auszuwerten.
Erfindungsgemäß kann somit das mobile Messgerät eingesetzt werden, ein Werkstück hinsichtlich Materialkennwerte, insbesondere Materialeinschlüsse und/oder Objekte und/oder Materialinhomogenitäten, umfassend zu charakterisieren. Aussagen über den relativen und/oder absoluten Kohlenwasserstoffgehalt sowie Konzentrationsgradienten in das Werkstück hinein ermöglichen eine zuverlässige Bewertung eines Werkstücks insbesondere hinsichtlich Prozessierbarkeit (Bearbeitbarkeit, Bohrbarkeit), Festigkeit, Belastbarkeit sowie hinsichtlich Vorhandensein strukturell unterschiedlicher Materialien (Einschlüsse) und dergleichen.
Aussagen zu den Bindungszuständen des eingeschlossenen Materials erlauben darüber hinaus festzustellen, um welche Form, insbesondere um welches Material des Materialeinschlusses es sich handelt. Beispielsweise lassen sich auf diese Weise vorteilhaft Einschlüsse wie Metalle, Holz und Kunststoffe detektieren und unterscheiden. Des Weiteren können Aussagen zu eingeschlossenen Kunststoffsorten gemacht werden sowie beispielsweise Aussagen darüber, ob Kunststoffrohre mit Wasser gefüllt sind.
Mit der Aufnahme und Auswertung zeitlich-dynamischer Prozesse chemischer Verbindungen können Prozesse wie Migration, Konvektion sowie Wanderung von Materialeinschlüssen untersucht werden. Rückschlüsse auf ein mögliches Fließverhalten lassen sich daraus ableiten.
Das Messgerät kann ebenfalls eingesetzt werden, ein Werkstück hinsichtlich Feuchtigkeit umfassend zu charakterisieren. Aussagen über den relativen und/oder absoluten Feuchtegehalt sowie über einen Feuchtegradienten in das Werkstück hinein ermöglichen eine zuverlässige Bewertung eines Werkstücks insbesondere hinsichtlich Prozessierbarkeit, Trockenheit, Schimmelgefahr, Festigkeit und/oder Belastbarkeit. Auswertung zeitlich-dynamischer Prozesse des die Feuchtigkeit bildenden Wassers ermöglichen darüber hinaus die Untersuchung von Prozessen wie Migration, Konvektion sowie Wanderung von Wasser, insbesondere von Wasserfronten in dem Werkstoff, woraus sich Rückschlüsse auf ein mögliches Trocknungs- bzw. Durchnässungsverhalten und/oder auf ein Trocknungsergebnis ableiten lassen.
Weitere bautechnisch relevante Parameter, die mit der Auswertevorrichtung des mobilen Messgeräts ausgewertet werden können, umfassen insbesondere Salzgehalt, Dichte, Porosität und/oder Inhomogenität des Materials des Werkstücks, aber auch weitere, dem Fachmann als sinnvoll erscheinende Parameter.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen mobilen Messgeräts ist eine Positionsbestimmungsvorrichtung zur Erfassung zumindest einer momentanen Position und/oder Ausrichtung des Messgeräts, insbesondere bezogen auf das Werkstück, vorgesehen.
Die Positionsbestimmungsvorrichtung kann dazu insbesondere einen oder mehrere Sensoren aus einer Gruppe von Sensoren aufweisen, die zumindest neigungs-, winkel-, abstands-, translations-, beschleunigungs- sowie drehratensensitive Sensoren umfasst. Des Weiteren kann eine Positionsbestimmung auch mit anderen, einem Fachmann als sinnvoll erscheinenden Mitteln realisiert werden.
Beispielsweise lässt sich die Positionsbestimmungsvorrichtung unter Verwendung von Wälzkörpern, insbesondere unter Verwendung von am Gehäuse des Messgeräts angeordneten Rädern, die beim Verfahren des Messgeräts bezogen auf das Werkstück die Positionsänderung aufnehmen, realisieren. Da der Abstand zwischen Messgerät und Werkstück zur Erhöhung der Eindringtiefe der Magnetfelder in das Werkstück hinein vorzugsweise minimiert werden sollte, kann die Positionsbestimmungsvorrichtung besonders bevorzugt auch als optischer Wegaufnehmer, der in der bei Anwendung des Messgeräts dem zu untersuchenden Werkstück zugewandten Gehäuseseite angeordnet ist, vorgesehen sein.
Es wird weiterhin vorgeschlagen, dass die Auswertevorrichtung zur Auswertung von von der Sensorvorrichtung gelieferten Messsignalen dazu ausgebildet ist, Messsignale der Sensorvorrichtung in Abhängigkeit der Position und/oder Ausrichtung des Messgeräts, insbesondere bezogen auf das Werkstück, auszuwerten.
Somit kann vorteilhaft erreicht werden, dass ausgewertete Parameter mit einer Position des Messgeräts auf dem Werkstück korreliert werden können. Ferner lassen sich durch sukzessives Vermessen eines Werkstücks mehrdimensionale Matrizen oder Karten, in denen Messergebenisse zu Positionen und/oder Ausrichtungen des Messgeräts, insbesondere bezogen auf das Werkstück, erfasst sind, erstellen und/oder auswerten. Besonders vorteilhaft kann dies zur Generierung einer Darstellung der ausgewerteten Messsignale in Form einer Karte des Werkstücks genutzt werden.
In einer Ausführungsform des Messgeräts ist die Auswertevorrichtung zur Auswertung von von der Sensorvorrichtung gelieferten Messsignalen besonders vorteilhaft dazu ausgebildet, eine Detektion von Materialeinschlüssen auf Grundlage sich in Abhängigkeit der Position und/oder Ausrichtung des Messgerätes, insbesondere bezogen auf das Werkstück, relativ verändernder Messsignale der Sensorvorrichtung durchzuführen.
Auf diese Weise können Materialeinschlüsse besonders effektiv und effizient geortet werden. Neben der Detektion von Materialeinschlüssen mittels Bestimmung absoluter Messwerte erlaubt die Relativ- oder Vergleichsmessung, bei der das Messgerät vorzugsweise schnell über eine Wand verfahren werden kann, eine Ortung eines Materialeinschlusses lediglich auf Grundlage positionsabhängiger Schwankungen der von der Sensorvorrichtung gelieferten Messsignale. In dem Werkstück verborgene Materialeinschlüsse führen beim Verfahren des Messgeräts über das Werkstück zu eindeutigen, positionsabhängigen Signaländerungen, die sich im Vergleich zu einem ansonsten relativ konstanten Untergrundsignal des restlichen Werkstücks deutlich abheben. Aus der Auswertung der Messsignale, beispielsweise insbesondere hinsichtlich Änderungsparameter, Änderungsdynamik, Relaxationszeiten, Amplituden, chemischen Verschiebungen etc., können ferner das Material, Ausdehnung und/oder Tiefe des gefundenen Objektes bestimmt werden. Besonders vorteilhaft lässt sich eine auf diese Weise gewonnene Information als zwei-, drei- oder pseudo-vierdimensionale Karte (z.B. Objektverläufe, Tiefenprofile, Tiefenschnittbilder, etc.) ausgeben. Ferner kann auch eine Korrelation der mittels der Vergleichsmessung erhaltenen Ergebnisse mit anderen Messergebnissen stattfinden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des mobilen Messgeräts ist zumindest eine Speichervorrichtung zum Speichern von Messergebnissen und/oder Arbeitsparametern vorgesehen.
Diese Speichervorrichtung kann alle Formen an externen und internen elektronischen, insbesondere digitalen Speichern, umfassen, insbesondere auch Speicherchips wie USB-Sticks, Memory-Sticks, Speicherkarten, etc.
Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass die Steuervorrichtung und/oder die Auswertevorrichtung des erfindungsgemäßen Messgeräts eine Datenkommunikationsschnittstelle zur, insbesondere drahtlosen, Kommunikation aufweist, mittels der das Messgerät Messergebnisse und/oder Arbeitsparameter senden und/oder empfangen kann.
Bevorzugt verwendet die Datenkommunikationsschnittstelle ein standardisiertes Kommunikationsprotokoll zu einer Übertragung von elektronischen, insbesondere digitalen Daten. Vorteilhaft umfasst die Datenkommunikationsschnittstelle eine drahtlose Schnittstelle, insbesondere beispielsweise eine WLAN-, Bluetooth-, Infrarot-, NFC-, RFID-Schnittstelle oder eine andere, einem Fachmann als sinnvoll erscheinende drahtlose Schnittstelle. Alternativ kann die Datenkommunikationsschnittstelle auch einen kabelgebunden Adapter aufweisen, beispielsweise einen USB- oder Mikro-USB-Adapter.
Vorteilhaft können mittels der Datenkommunikationsschnittstelle Messergebnisse und/oder Arbeitsparameter von dem Messgerät an ein externes Datengerät, beispielsweise an ein Smartphone, einen Tablet-PC, einen PC, einen Drucker oder weitere einem Fachmann als sinnvoll erscheinende externe Geräte gesendet werden oder von diesen empfangen werden. Mittels der erfindungsgemäßen Ausgestaltung kann vorteilhaft eine Übertragung von Daten ermöglicht werden, die zu einer weiteren Auswertung von mit dem Messgerät erfassten Messsignalen nutzbar ist. Ferner können vorteilhaft vielfältige Zusatzfunktionen ermöglicht und eingebunden werden, die insbesondere auch eine direkte Kommunikation mit Smartphones (insbesondere über programmierte Apps) oder ähnlichen portablen Datengeräten erfordern. Diese können beispielsweise automatische Kartierungs-Funktionen, Firmware-Updates, Datennachbearbeitung, Datenaufbereitung, Datenabgleich mit anderen Geräten, etc. umfassen.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Steuervorrichtung des Messgeräts einen Bedienmodus aufweist, in welchem Angaben zu einem Werkstück durch Benutzereingaben spezifiziert und/oder dem Messgerät zur Verfügung gestellt werden können.
Unter Bedienmodus soll insbesondere eine Informationsverarbeitung, eine Informationsausgabe oder eine Informationseingabe bezeichnet werden, in deren Zusammenhang die Steuervorrichtung ein Betriebsprogramm, Regelroutinen, Steuerroutinen, Auswerteroutinen und/oder Berechnungsroutinen anwendet.
Angaben zu einem Werkstück können beispielsweise das Material des Werkstücks betreffen, dessen physikalischen oder chemischen Eigenschaften sowie beliebige andere, einem Fachmann als sinnvoll erscheinende Spezifikationen.
Für eine vorteilhafte Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass die Steuervorrichtung des Messgeräts einen Bedienmodus aufweist, in welchem Ausgabeparameter der Ausgabevorrichtung spezifiziert und/oder dem Messgerät zur Verfügung gestellt werden können.
Unter Ausgabeparameter sollen alle die Ausgabe betreffenden Spezifikationen verstanden werden, insbesondere den Nutzer interessierende Kenngrößen, Ausgabeformen (z.B. als Zahl, Grafik, Karte, umgerechnete äquivalente Größen), Umrechnungsmöglichkeiten, Fehleranzeigen, Korrekturfaktoren, etc.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Messgeräts weist die Sensorvorrichtung mindestens einen weiteren Sensor aus einer Gruppe von Sensoren auf, die zumindest induktions-, kapazitäts-, ultraschall-, temperatur-, strahlungs-, neigungs-, winkel-, magnetfeld-, beschleunigungs-, drehraten- sowie feuchtesensitive Sensoren umfasst.
Auf diese Weise kann vorteilhaft eine Kombination von ähnlichen oder komplementären Messinstrumenten in dem erfindungsgemäßen Messgerät integriert werden. Beispielsweise lässt sich der Kernspinresonanz-Sensor besonders vorteilhaft mit induktions- und/oder kapazitätssensitiven Sensoren erweitern. Vorzugsweise werden die Signale der weiteren Sensoren ebenfalls durch die Auswertevorrichtung zur Auswertung von von der Sensorvorrichtung gelieferten Messsignalen ausgewertet. Die Auswerteergebnisse der verschiedenen Sensoren können vorteilhaft miteinander korreliert werden, insbesondere können mittels der weiteren Sensoren erhaltene Messwerte zur Korrektur und/oder Optimierung und/oder Kalibrierung der von dem Kernspinresonanz-Sensor ermittelten Messergebnisse verwendet werden.
Alternativ kann auch eine Ausgabe der weiteren Messergebnisse als ergänzender Messwert und/oder Komplementärwert mittels der Ausgabevorrichtung stattfinden.
Erfindungsgemäß wird auch ein Verfahren zum Betrieb eines Messgeräts, insbesondere ein Verfahren zur Detektion und/oder Unterscheidung und/oder Analyse eines Materialkennwertes eines Werkstücks, insbesondere eines Materialkennwertes in einem Werkstück, vorgeschlagen, das durch zumindest folgende Schritte gekennzeichnet ist:

• Erzeugen eines ersten Magnetfelds in dem Werkstück mittels einer ersten, insbesondere im Messgerät angeordneten, Vorrichtung
• Erzeugen von Hochfrequenz-Pulsen in dem Werkstück mittels einer zweiten Vorrichtung des Messgeräts, insbesondere mittels einer Hochfrequenzspule
• Detektion zumindest einer Amplitude und/oder einer Relaxationszeit eines Messsignals resultierend aus der Anregung von Kernspins in dem Werkstück, insbesondere mittels eines in einer Empfangsspule induzierten elektrischen Stroms und/oder einer induzierten Spannung
• Extraktion von Larmor-Frequenzen aus einem Messsignal, insbesondere aus einem in einer Empfangsspule induzierten elektrischen Strom und/oder einer in einer Empfangsspule induzierten Spannung
• Auswertung von Messsignalen des Kernspinresonanz-Sensors zur Detektion, Unterscheidung und/oder Analyse eines Materialkennwertes des Werkstücks, insbesondere eines Materialkennwertes in einem Werkstück, mittels einer insbesondere im Messgerät angeordneten Auswertevorrichtung.

Zeichnungen
Die Erfindung ist anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen. Gleiche oder ähnliche Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen gleiche oder ähnliche Elemente.
Es zeigen:
1 perspektivische Darstellung einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen mobilen Messgeräts,
2 Ansicht der ersten Gehäuseseite einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Messgeräts,
3 schematische Seitenansicht einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Messgeräts,
4a schematische und vereinfachte Darstellung einer Ausführungsform der den Kernspinresonanz-Sensor bildenden Komponenten sowie der damit erzeugten Magnetfelder,
4b schematische und vereinfachte Darstellung einer alternativen Ausführungsform der den Kernspinresonanz-Sensor bildenden Komponenten sowie der damit erzeugten Magnetfelder,
5 perspektivische Ansicht der zweiten Gehäuseseite einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen mobilen Messgeräts
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 und 2 zeigen zwei Ansichten einer beispielhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Handmessgeräts 10 in perspektivischer Darstellung bzw. in vereinfachter, schematischer Aufsicht.
Das beispielhaft ausgeführte Handmessgerät 10 weist ein Gehäuse 12, eine Eingabevorrichtung in Form von Betätigungselementen 14, geeignet zum Ein- und Ausschalten des Handmessgeräts, zum Starten und Konfigurieren eines Messvorgangs und zum Eingeben von Arbeitsparametern, sowie eine Ausgabevorrichtung zur Ausgabe von Arbeitsparametern und/oder Auswerteergebnissen in Form eines Displays 16 auf. Das Handmessgerät 10 verfügt zum Transport und zu dessen Führung über einen Handgriff 18. Der Handgriff 18, die Betätigungselemente 14 sowie das Display 16 befinden sich auf einer ersten Gehäuseseite 20 des Messgeräts 10 (auch „Frontseite“), die bei einer Bedienung des Messgeräts typischerweise dem Anwender zugewandt ist.
Zur Energieversorgung des Handmessgeräts 10 weist das Gerät auf der, der ersten Gehäuseseite 20 geräterückseitig gegenüberliegenden, zweiten Gehäuseseite 40 (im Folgenden auch Rückseite des Messgeräts genannt) eine Aussparung auf, die vorzugsweise zur Aufnahme von stromnetzunabhängigen Energiespeichern 22, insbesondere Batterien oder wiederaufladbaren Akkus, geeignet ist. Das beispielhaft vorgestellte Gerät besitzt Lithium-Ionen-Akkus, deren hohe Energie- und Leistungsdichte vorteilhaft zur Energieversorgung des Messgeräts geeignet ist. In einer alternativen Ausführungsform kann der Energiespeicher 22 auch im Handgriff 18 des Messgeräts 10 untergebracht sein. Vorzugsweise weist die Vorrichtung zur Energieversorgung eine lösbare Formschluss- und/oder Kraftschlussverbindungsschnittstelle auf, sodass der Energiespeicher 22 (im Allgemeinen auch mehrere) abnehmbar und austauschbar anordenbar ist. Darüber hinaus lässt sich der Energiespeicher 22 in und/oder außerhalb des Messgeräts mit Energie aus einem Stromnetz versorgen und laden.
Die Positionsbestimmungsvorrichtung des Handmessgeräts umfasst in dem Ausführungsbeispiel vier Räder 24, mittels der das Handmessgerät 10 entlang der Oberfläche 44 eines Werkstücks 42 verfahren werden kann (vgl. 3). Sensoren, die auf eine Drehung der Räder 24 sensitiv sind, erfassen eine Bewegung des Messgeräts 10 und erlauben somit Messergebnisse in Bezug zu einer Position des Messgeräts, insbesondere bezogen auf das Werkstück 42, zu setzen. In einer alternativen Ausführungsform des Messgeräts 10 kann die Positionsbestimmungsvorrichtung statt der Räder beispielsweise einen optischen Wegaufnehmer aufweisen. Zur präziseren Positionsbestimmung können zusätzlich noch weitere Sensoren, insbesondere neigungs-, winkel-, translations-, beschleunigungs- sowie drehratensensitive Sensoren, vorhanden sein. Nach Aufsetzen des Handmessgeräts 10 auf der Oberfläche 44 eines zu vermessenden Werkstücks 42, beispielsweise auf einer Wand oder auf einem Beton-Boden, wird die Positionsänderung des Handmessgeräts in Folge eines Verfahrens des Geräts auf dem Werkstück ermittelt. Diese Positionsdaten werden zur weiteren Auswertung an eine Auswertevorrichtung 30 weitergegeben.
Auf einem Trägerelement 26, insbesondere einer Systemplatine oder Leiterplatte innerhalb des Gehäuses 12, sind weitere Komponenten des Messgeräts, insbesondere eine Sensorvorrichtung 32 mit einem Kernspinresonanz-Sensor 32’, eine Steuervorrichtung 28 zur Ansteuerung der Sensorvorrichtung 32, eine Auswertevorrichtung 30 zur Auswertung von von der Sensorvorrichtung 32 gelieferten Messsignalen, sowie eine mit der Steuer- und/oder Auswertevorrichtung verbundenen Datenkommunikationsschnittstelle 54 untergebracht (siehe insbesondere 2).
Der Kernspinresonanz-Sensor 32’, der im Detail in 4a und 4b erläutert wird, ist zur Anregung einer Kernspinresonanz in Atomkernen des Materials des Werkstücks 42 vorgesehen. Erfindungsgemäß wird das gemessene Resonanzsignal zumindest zur zerstörungsfreien Detektion und/oder Analyse und/oder Unterscheidung eines Materialkennwerts, insbesondere von Materialeinschlüssen 60, 60‘, 60‘‘, in dem Werkstück 42 verwendet, d.h. zur Ermittlung von Informationen, die unter anderem einen relativen und/oder absoluten Kohlenwasserstoffgehalt und/oder Bindungszustände chemischer Verbindungen und/oder Konzentrationsgradienten eines Materials in das Werkstück hinein und/oder zeitlich-dynamische Prozesse chemischer Verbindungen und/oder einen relativen und/oder absoluten Feuchtegehalt und/oder weitere bautechnisch relevante Parameter, insbesondere Salzgehalt, Zusammensetzung und/oder Porosität des Materials des Werkstücks betreffen. Die Steuervorrichtung 28 weist eine Steuerelektronik umfassend Mittel zur Kommunikation mit den anderen Komponenten des Messgeräts auf, beispielsweise Mittel zur Steuerung und Regelung der Sensorvorrichtung 32 sowie des Messgeräts. Die Steuervorrichtung 28 umfasst insbesondere eine Einheit mit einer Prozessoreinheit, einer Speichereinheit und einem in der Speichereinheit gespeicherten Betriebsprogramm. Die Steuervorrichtung 28 ist dazu vorgesehen, zumindest ein Betriebsfunktionsparameter des Messgeräts in Abhängigkeit von zumindest einer Eingabe durch den Benutzer, durch die Auswertevorrichtung und/oder durch die Datenkommunikationsschnittstelle einzustellen.
Die Auswertevorrichtung 30 zur Auswertung von von der Sensorvorrichtung 32 gelieferten Messsignalen, gegebenenfalls auch zur Auswertung von Messsignalen weiterer Sensorvorrichtungen des Handmessgeräts 10, weist insbesondere einen Informationseingang, eine Informationsverarbeitung und einen Informationsausgang auf. Vorteilhaft besteht die Auswertevorrichtung 30 zumindest aus einem Prozessor, einem Speicher mit einem darauf gespeicherten und ausführbaren Betriebsprogramm und erlaubt, zumindest ein Messsignal des Kernspinresonanz-Sensors 32’ auszuwerten und Informationen betreffend die Detektion und/oder Analyse und/oder Unterscheidung von Materialeinschlüssen 60, 60‘, 60‘‘ in einem Werkstück zu bestimmen. Besonders vorteilhaft weist die Auswertevorrichtung gespeicherte Korrektur- und/oder Kalibriertabellen auf, die es erlauben, die Auswerteergebnisse zu interpretieren, umzurechnen, zu inter- und/oder extrapolieren sowie das Messgerät, insbesondere die Auswerteroutinen, hinsichtlich eines Werkstückmaterials zu kalibrieren. Die Auswerteergebnisse werden von der Auswertevorrichtung 30 zur weiteren Verwendung über die Steuervorrichtung 28 entweder direkt an einen Nutzer des Messgeräts 10 oder zur Versendung der Daten an die Datenkommunikationsschnittstelle 54 ausgegeben.
Zur Messung eines Kernspinresonanzsignals eines Werkstücks 42, insbesondere zur Detektion und/oder Analyse und/oder Unterscheidung von Materialeinschlüssen 60, 60‘, 60‘‘ in diesem Werkstück, wird das Messgerät 10 mit seiner zweiten Gehäuseseite 40, d.h. der Geräterückseite, flächig in unmittelbarer Nähe zu dem Werkstück 42, insbesondere in Berührung zu dessen Oberfläche 44, positioniert. Dabei dringen die durch den Kernspinresonanz-Sensor 32’ erzeugten Magnetfelder 34, 36 durch die zweite Gehäuseseite 40 aus dem Messgerät 10 aus und in das Werkstück 42 ein, wobei der sensitive Bereich 38 in dem Werkstück zu liegen kommt (siehe insbesondere 3). Magnetfeldänderungen in Folge eines Kernspinresonanzeffekts der in dem Material des Werkstücks 42 angeregten Kernspins der Atomkerne, d.h. verursacht durch Absorption und/oder Emission elektromagnetischer Felder durch die Atomkerne einhergehend mit einer Änderung deren Energiezustände, kann mittels einer Empfangsspule 68 des Kernspinresonanz-Sensors 32’ detektiert werden. Dieses Messsignal, insbesondere dessen Amplitude und Relaxationszeiten, wird an die Auswertevorrichtung 30 weitergeleitet, von der es mittels Auswerteroutinen ausgewertet und aufbereitet wird und an eine Ausgabevorrichtung 16 weitergeleitet wird. Das ausgewertete Messergebnis wird dem Nutzer auf dem Display 16 dargestellt und kann alternativ über die Datenkommunikationsschnittstelle 54 an ein weiteres Datenverarbeitungsgerät gesendet werden. Die Ausgabe auf dem Display 16 kann grafisch, numerisch und/oder alphanumerisch, beispielsweise in Form eines Messwerts, einer Messkurve, eines Signalverlaufs, eines Zeitverlauf, als Bilddaten oder in einer Gradientendarstellung sowie in einer Kombination derer erfolgen. Alternativ oder zusätzlich ist eine Darstellung mittels einer Signalanzeige möglich, insbesondere beispielsweise einer Leuchtdiode, die beispielsweise über eine Farbcodierung (z.B. rot, gelb, grün) eine Zielgröße bewertet.
Das Positionieren des Messgerätes 10, insbesondere des darin enthaltenen Kernspinresonanz-Sensors 32’ in unmittelbarer Nähe der Werkstückoberfläche 44 ermöglicht die Detektion und/oder Analyse und/oder Unterscheidung von Materialeinschlüssen 60, 60‘, 60‘‘ bis zu einer Materialtiefe von einigen Zentimeter in das Werkstück 42 hinein.
In 3 ist die erfindungsgemäße Ausführungsform des Handmessgeräts 10 der 1 und 2 in einer vereinfachten schematischen Seitenansicht dargestellt. Der Kernspinresonanz-Sensor 32’ umfasst zwei Vorrichtungen zur Erzeugung von Magnetfeldern, insbesondere eine Permanentmagnetanordnung 46, 46‘ (vgl. 4a), die ein erstes Magnetfeld 34 erzeugt, sowie eine Hochfrequenzspule 48 (vgl. 4a), die ein zweites Magnetfeld 36 erzeugt. Der Kernspinresonanz-Sensor 32’ ist derart konfiguriert, dass das erste Magnetfeld 34 im Wesentlichen parallel zu der zweiten Gehäuseseite 40 ausgerichtet ist, während das zweite Magnetfeld 36 im Wesentlichen senkrecht zu den Magnetfeldlinien des ersten Magnetfeldes 34 ausgerichtet ist. Die beiden Magnetfelder überlagern sich in einem ausgedehnten Bereich, in dem sich insbesondere auch der sensitive Bereich 38 des Kernspinresonanz-Sensors 32’ als insbesondere schichtförmiger Bereich befindet. Das Handmessgerät 10 wird mit der zweiten Gehäuseseite 40 in unmittelbarer Nähe an ein zu untersuchendes Werkstück 42 so positioniert, dass der Abstand zwischen der zweiten Gehäuseseite 40 und der Werkstückoberfläche 44 minimiert ist. Auf diese Weise wird erreicht, dass die Magnetfelder 34, 36 in das Werkstück eindringen und der sensitive Bereich 38 im Werkstück 42 zu liegen kommt.
Durch Variation des durch die zweite Vorrichtung erzeugten zweiten Magnetfeldes 36, d.h., insbesondere durch Variation der Hochfrequenzspule 48 und/oder Variation der Frequenz und/oder Variation des Stroms und/oder Variation der Spannung in der Hochfrequenzspule 48, ist es möglich, den sensitiven Bereich 38 in seinem Abstand zu der zweiten Gehäuseseite 40 zu verändern und somit den Abstand des sensitiven Bereichs 38 im Werkstück zu dessen Werkstückoberfläche 44 zu modifizieren. Alternativ und/oder zusätzlich kann der Kernspinresonanz-Sensor 32’ im Gehäuse 12 des Handmessgeräts 10 derart umpositioniert werden, dass der Abstand des Kernspinresonanz-Sensors 32’ zur zweiten Gehäuseseite 40 verändert wird und folglich auch der Abstand des sensitiven Bereichs 38 im Werkstück 42 zu dessen Werkstückoberfläche 44. Besonders vorteilhaft lassen sich auf diese Weise Tiefenprofile der auszuwertenden Parameter, insbesondere Materialkonzentrations-Tiefenprofile, erstellen. Beispielsweise ist es möglich, über ein Tiefenprofil eines zu detektierenden Materialeinschlusses 60, 60‘, 60‘‘ in einem Werkstück 42 eine Aussage über die zulässige Bohrtiefe in dem Werkstück 42 zu treffen, bevor der Materialeinschluss 60, 60‘, 60‘‘ getroffen wird.
In 4a sind in vereinfachter und schematischer Darstellung die Komponenten einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kernspinresonanz-Sensors 32’ dargestellt. Zwei senkrecht zur zweiten Gehäuseseite 40 und antiparallel zueinander angeordnete Permanentmagnete 46, 46‘ erzeugen ein erstes, insbesondere statisches, Magnetfeld 34, das im Wesentlichen parallel zur Oberfläche der zweiten Gehäuseseite 40 verläuft. Dieses zur Ausrichtung der Kernspins der in der Materialprobe vorhandenen Atomkerne vorgesehene erste Magnetfeld weist beispielhaft insbesondere eine Magnetfeldstärke von 0.5 Tesla auf, wobei die Permanentmagnete aus einer Neodym-Eisen-Bor-Legierung hergestellt sind. Die zweite Vorrichtung zur Erzeugung des zweiten Magnetfeldes wird in diesem Ausführungsbeispiel durch eine Hochfrequenzspule 48 gebildet. Sobald durch diese Spule Strom fließt, wird ein elektromagnetisches Feld, insbesondere das zweite Magnetfeld 36, induziert. Die beiden Magnetfelder überlagern sich in einem Bereich, der im Wesentlichen außerhalb des Gehäuses 12 des Messgeräts 10 liegt. Der sensitive Bereich 38 des Kernspinresonanz-Sensors 32’ liegt ebenfalls in dem Überlagerungsfeld der Magnetfelder 34 und 36. In Abhängigkeit der Frequenz des eingestrahlten elektromagnetischen Felds 36 und der statischen Magnetfeldstärke des ersten Magnetfelds 34 wird der sensitive Bereich im Idealfall durch eine Fläche definiert, auf der die Magnetfeldstärke des ersten Magnetfelds 34 konstant ist und insbesondere einen definierten Betrag aufweist. In Realität ist die Fläche auf Grund nicht exakter Frequenzen tatsächlich schichtförmig. Da die Magnetfeldlinien 34 nicht exakt parallel zur zweiten Gehäuseseite 40 verlaufen, ist somit auch der sensitive Bereich 38 folglich entsprechend der Magnetfeldlinien gekrümmt. Die Krümmung und Ausformung des ersten Magnetfelds 34 und damit des sensitiven Bereichs 38 kann unter Verwendung weiterer Mittel, beispielsweise einer Shim-Spule 56 und einer magnetischen Schirmung 58, beeinflusst und insbesondere homogenisiert werden.
In 4b sind in vereinfachter und schematischer Darstellung die Komponenten einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kernspinresonanz-Sensors 32’ dargestellt. Dabei ist das durch die erste Vorrichtung, hier zwei parallel zur zweiten Gehäuseseite und kollinear angeordnete Permanentmagnete 46, 46‘ (in Nord-Süd/Nord-Süd-Abfolge), erzeugte erste, insbesondere statische, Magnetfeld 34 im Wesentlichen parallel zu einer zweiten Gehäuseseite 40 des Messgeräts 10 und das durch die zweite Vorrichtung, hier eine Hochfrequenzspule 48, erzeugte zweite Magnetfeld 36 im Wesentlichen senkrecht zu dem ersten Magnetfeld 34 ausgerichtet. Zwischen den beiden Permanentmagneten 46, 46‘ befindet sich eine Hochfrequenzspule 48, deren Wicklungsebene kollinear zur Erstreckungsrichtung der Permanentmagnete 46, 46‘ und parallel zur zweiten Gehäuseseite 40 liegt. Diese Anordnung ist in unmittelbarer Nähe zur zweiten Gehäuseseite 40 positioniert. Sobald durch diese Spule Strom fließt, wird ein elektromagnetisches Feld, insbesondere das zweite Magnetfeld 36, induziert. Die beiden Magnetfelder überlagern sich in einem Bereich, der im Wesentlichen außerhalb des Gehäuses 12 des Messgeräts 10 liegt. Der sensitive Bereich 38 des Kernspinresonanz-Sensors 32’ liegt ebenfalls in dem Überlagerungsfeld der Magnetfelder 34 und 36. In Abhängigkeit der Frequenz des eingestrahlten elektromagnetischen Felds 36 und der statischen Magnetfeldstärke des ersten Magnetfelds 34 wird der sensitive Bereich im Idealfall durch eine Fläche definiert, auf der die Magnetfeldstärke des ersten Magnetfelds 34 konstant ist und insbesondere einen definierten Betrag aufweist. In Realität ist die Fläche auf Grund nicht exakter Frequenzen tatsächlich schichtförmig. Da die Magnetfeldlinien 34 nicht exakt parallel zur zweiten Gehäuseseite 40 verlaufen, ist somit auch der sensitive Bereich 38 folglich entsprechend der Magnetfeldlinien gekrümmt. Die Krümmung und Ausformung des ersten Magnetfelds 34 und damit des sensitiven Bereichs 38 kann unter Verwendung weiterer Mittel, beispielsweise einer Shim-Spule 56 und einer magnetischen Schirmung 58, beeinflusst und insbesondere homogenisiert werden.
In der 5 ist in perspektivischer, vereinfachter Darstellung eine Aufsicht auf die zweite Gehäuseseite 40, d.h. die Rückseite des Handmessgerätes 10, gezeigt. Auf dieser zweiten Gehäuseseite 40 sind die Aufnahme des Energiespeichers 22, insbesondere einer Batterie oder eines Akkus, unter einer Gehäuseklappe (gestrichelt) direkt zugänglich. Eine zweite Gehäuseklappe 52, in der Figur geöffnet dargestellt, ermöglicht den Zugriff auf die Hochfrequenzspule 48. Besonders vorteilhaft sind die Verbindungsstecker 50 der Hochfrequenzspule 48 lösbar, d.h. insbesondere zerstörungsfrei trennbar, ausgeführt. Auf diese Weise wird ermöglicht, die Hochfrequenzspule 48 gegen Hochfrequenzspulen mit anderer Charakteristik, d.h. die sich insbesondere bezüglich ihrer Windungszahl, Wicklungsart, Geometrie sowie Drahtdicke unterscheiden, auszutauschen. Diese Möglichkeit der Variation der Hochfrequenzspule 48 erlaubt vorteilhaft, dass durch die Hochfrequenzspule 48 erzeugte zweite Magnetfeld 36 zu modifizieren und insbesondere auf die Bedingungen des Werkstückmaterials anzupassen und zu optimieren. In dieser vereinfachten Darstellung sind die weiteren Komponenten des Kernspinresonanz-Sensors 32’ aus 4a nicht dargestellt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102005062874 A1 [0002]

Claims

Mobiles Messgerät, insbesondere Handmessgerät, umfassend ein Gehäuse (12), in dem zumindest • eine Sensorvorrichtung (32), • eine Steuervorrichtung (28) zur Ansteuerung der Sensorvorrichtung (32), • eine Auswertevorrichtung (30) zur Auswertung von von der Sensorvorrichtung (32) gelieferten Messsignalen, sowie • eine Vorrichtung zur Energieversorgung (22) des Messgeräts vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorvorrichtung (32) zumindest einen Kernspinresonanz-Sensor (32‘) (NMR-Sensor) aufweist, der zumindest zur Detektion und/oder Analyse und/oder Unterscheidung eines Materialkennwerts eines Werkstücks (42), insbesondere eines Materialkennwerts in einem Werkstück, vorgesehen ist.
Messgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Eingabevorrichtung (14) zur Eingabe von Arbeitsparametern vorhanden ist, insbesondere im Gehäuse (12) vorhanden ist.
Messgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ausgabevorrichtung (16) zur Ausgabe von Arbeitsparametern und/oder Auswerteergebnissen vorhanden ist, insbesondere im Gehäuse (12) vorhanden ist.
Messgerät nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingabevorrichtung (14) und/oder die Ausgabevorrichtung (16) auf einer ersten Gehäuseseite (20) angeordnet ist/sind.
Messgerät nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kernspinresonanz-Sensor (32‘) eine Vorrichtung zur Detektion einer Magnetfeldänderung (68), insbesondere eine Empfangsspule zur Detektion einer Magnetfeldänderung, aufweist.
Messgerät nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kernspinresonanz-Sensor (32‘) eine erste Vorrichtung (46, 46‘) zur Erzeugung eines ersten Magnetfelds (34), eine zweite Vorrichtung (48), insbesondere eine Hochfrequenzspule, zur Erzeugung eines zweiten, das erste Magnetfeld (34) überlagernden Magnetfelds (36) aufweist, wobei die Steuervorrichtung (28) zumindest eine Steuereinheit zur Steuerung der zweiten Vorrichtung (48) aufweist, wobei die Steuereinheit zur Modifikation des zweiten Magnetfelds (36), insbesondere zur Erzeugung von Pulssequenzen, vorgesehen ist.
Messgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das durch die erste Vorrichtung (46, 46‘) des Kernspinresonanz-Sensors (32‘) erzeugte erste Magnetfeld (34) im Wesentlichen parallel zu einer zweiten Gehäuseseite (40) des Messgeräts (10) ist und dass das durch die zweite Vorrichtung (48) erzeugte zweite Magnetfeld (36) im Wesentlichen senkrecht zu dem ersten Magnetfeld (34) ausgerichtet ist.
Messgerät nach einem der Ansprüche 6–7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Vorrichtung (46, 46‘) zur Erzeugung eines ersten Magnetfelds (34) und/oder die zweite Vorrichtung (48) zur Erzeugung eines zweiten Magnetfelds (36) von zumindest einer magnetischen Schirmung (58) zumindest teilweise umgeben ist/sind.
Messgerät nach einem der Ansprüche 6–8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kernspinresonanz-Sensor (32‘) zumindest eine Vorrichtung zur Homogenisierung (56) der von der ersten und/oder zweiten Vorrichtung (46, 46‘ / 48) erzeugten Magnetfelder aufweist.
Messgerät nach einem der Ansprüche 6–9, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Vorrichtung (48) des Kernspinresonanz-Sensors (32‘) zur Erzeugung des zweiten Magnetfelds (36), insbesondere die Hochfrequenzspule, zerstörungsfrei austauschbar realisiert ist.
Messgerät nach einem der Ansprüche 6–10, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfelder (34, 36) des Kernspinresonanz-Sensors (32‘) einen sensitiven Bereich (38) des Kernspinresonanz-Sensors (32‘) definieren, insbesondere einen schichtförmigen Bereich, der sich im Wesentlichen parallel und beabstandet zu einer zweiten Gehäuseseite (40) außerhalb des Gehäuses (12) des Messgeräts (10) erstreckt.
Messgerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass sich der sensitive Bereich (38) des Kernspinresonanz-Sensors (32‘) entlang einer Senkrechten (66) zu der zweiten Gehäuseseite (40) des Messgeräts (10) außerhalb des Gehäuses (12) verschieben lässt, vorteilhaft um 1 cm, besonders vorteilhaft um 2 cm, insbesondere um 3 cm verschieben lässt.
Messgerät nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Gehäuseseite (40) des Messgeräts (10) der die Eingabevorrichtung (14) und/oder die Ausgabevorrichtung (16) aufnehmenden ersten Gehäuseseite (20) gegenüberliegt, insbesondere geräterückseitig angeordnet ist.
Messgerät nach einem der Ansprüche 6–13, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertevorrichtung (30) zur Auswertung von von der Sensorvorrichtung (32) gelieferten Messsignalen ausgebildet ist und insbesondere dazu vorgesehen ist, zumindest eine Amplitude und/oder eine eines Messsignals, resultierend aus der Anregung der Kernspins in einem Werkstück (42) durch das Magnetfeld (36) der zweiten Vorrichtung (48), auszuwerten.
Messgerät nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertevorrichtung (30) zur Auswertung von von der Sensorvorrichtung (32) gelieferten Messsignalen ausgebildet ist, zumindest • einen relativen und/oder absoluten Kohlenwasserstoffgehalt und/oder • Bindungszustände chemischer Verbindungen und/oder • Konzentrationsgradienten eines Materials in das Werkstück (42) hinein und/oder • zeitlich-dynamische Prozesse chemischer Verbindungen und/oder • einen relativen und/oder absoluten Feuchtegehalt und/oder • weitere bautechnisch relevante Parameter, insbesondere Salzgehalt, Zusammensetzung und/oder Porosität des Materials des Werkstücks (42) auszuwerten, insbesondere tiefenaufgelöst auszuwerten.
Messgerät nach einem der Ansprüche 1–15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Positionsbestimmungsvorrichtung (24) zur Erfassung zumindest einer momentanen Position und/oder Ausrichtung des Messgeräts (10), insbesondere bezogen auf das Werkstück (42), vorgesehen ist.
Messgerät nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertevorrichtung (30) zur Auswertung von von der Sensorvorrichtung (32) gelieferten Messsignalen dazu ausgebildet ist, Messsignale der Sensorvorrichtung (32) in Abhängigkeit der Position und/oder Ausrichtung des Messgerätes (10), insbesondere bezogen auf das Werkstück (42), auszuwerten.
Messgerät nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertevorrichtung (30) zur Auswertung von von der Sensorvorrichtung (32) gelieferten Messsignalen dazu ausgebildet ist, eine Detektion und/oder eine Analyse und/oder eine Unterscheidung eines Materialkennwerts auf Grundlage sich in Abhängigkeit der Position und/oder Ausrichtung des Messgerätes (10), insbesondere bezogen auf das Werkstück (42), relativ verändernder Messsignale der Sensorvorrichtung (32), durchzuführen.
Messgerät nach einem der Ansprüche 1–18, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Speichervorrichtung (64) zum Speichern von Messergebnissen und/oder Arbeitsparametern vorgesehen ist.
Messgerät nach einem der Ansprüche 1–19, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (28) und/oder die Auswertevorrichtung (30) eine Datenkommunikationsschnittstelle (54) zur, insbesondere drahtlosen, Kommunikation aufweist, mittels der das Messgerät (10) Messergebnisse und/oder Arbeitsparameter senden und/oder empfangen kann.
Messgerät nach einem der Ansprüche 1–20, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (28) einen Bedienmodus aufweist, in welchem Angaben zu einem Werkstück (42) durch Benutzereingaben spezifiziert und/oder dem Messgerät (10) zur Verfügung gestellt werden können.
Messgerät nach einem der Ansprüche 3–21, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (28) einen Bedienmodus aufweist, in welchem Ausgabeparameter der Ausgabevorrichtung (16) spezifiziert und/oder dem Messgerät (10) zur Verfügung gestellt werden können.
Messgerät nach einem der Ansprüche 1–22, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorvorrichtung (32) mindestens einen weiteren Sensor aus einer Gruppe von Sensoren aufweist, die zumindest induktions-, kapazitäts-, ultraschall-, temperatur-, strahlungs-, neigungs-, winkel-, magnetfeld-, beschleunigungs-, drehraten- sowie feuchtesensitive Sensoren umfasst.
Verfahren zum Betrieb eines Messgeräts (10), insbesondere Verfahren zur Detektion und/oder Unterscheidung und/oder Analyse eines Materialkennwerts eines Werkstücks (42), insbesondere eines Materialkennwerts in einem Werkstück (42), insbesondere ein Verfahren zum Betrieb eines Messgeräts (10) nach einem der Ansprüche 1–23, gekennzeichnet durch zumindest folgende Schritte: i. Erzeugen eines ersten Magnetfelds (34) in dem Werkstück (42) mittels einer ersten im Messgerät angeordneten Vorrichtung (46, 46‘) ii. Erzeugen von Hochfrequenz-Pulsen (36) in dem Werkstück (42) mittels einer zweiten Vorrichtung (48) des Messgeräts (10), insbesondere mittels einer Hochfrequenzspule iii. Detektion zumindest einer Amplitude und/oder einer Relaxationszeit eines Messsignals resultierend aus der Anregung von Kernspins in dem Werkstück (42), insbesondere mittels eines in einer Empfangsspule (68) induzierten elektrischen Stroms und/oder einer induzierten Spannung iv. Extraktion von Larmor-Frequenzen aus einem Messsignal, insbesondere aus einem in einer Empfangsspule (68) induzierten elektrischen Strom und/oder Spannung v. Auswertung von Messsignalen des Kernspinresonanz-Sensors (32‘) zur Unterscheidung und/oder Analyse eines Materialkennwertes des Werkstücks (42), insbesondere eines Materialkennwertes in dem Werkstück (42), mittels einer im Messgerät (10) angeordneten Auswertevorrichtung (30).