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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auswertung von Meßergebnissen zur
Qualitätslkontrolle bei Materialien, bei denen Kenngrößen von zur Herstellung von
Endprodukten benutzten Ausgangsstoffen mit Kenngrößen des Endproduktes korreliert
werden.
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Bei der Herstellung von Produkten, insbesondere aus weichem organischen
Materialien, ist es bekannt, anhand von qualitätsrelevanten Kenngrößen, die am
Ausgangsstoff gemessen werden, im Vergleich mit Kenngrößen gemessen am Endprodukt über
die Qualität des Endproduktes zu entscheiden. Solche Verfahren werden
beispielsweise bei der Herstellung von Monomer- oder Polymer-Produkten, von
Elastomerprodukten, von Cellulose, Papier, Composites oder auch bei der
Lebensmittelherstellung angewendet. Insbesondere bei hoher Produktqualität kommt es darauf an,
Kenngrößen zu benutzen, die an Endprodukten zerstörungsfrei ermittelt werden
können.
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Voraussetzung für einen Vergleich der Kenngrößen zur Qualitätskontrolle ist vor allem,
daß die Kenngrößen sowohl beim Ausgangsstoff als auch beim Endprodukt eine
miteinander korrelierbare Aussage über die Beschaffenheit von Ausgangsstoff und
Endprodukt liefern, was vielfach nur experimentell empirisch ermittelt wird. So ist
beispielsweise in der Gummiindustrie ein rheometrischer Wert der Gummimischung,
die als Ausgangsstoff benutzt wird, am Endprodukt nicht messbar, weil hierzu die
Möglichkeiten fehlen. Die für den Ausgangsstoff an Referenzproben ermittelten
Werkstoffkennzahlen bleiben deshalb mit den für das Endprodukt festgestellten
Meßgrößen nur indirekt vergleichbar. Darüber hinaus beschreiben in manchen Fällen
die gemessenen Werte nicht eindeutig die geforderte Werkstoffstruktur, dies ist
insbesondere dann, wenn für Ausgangsstoffe und Endprodukte Inhomoginitäten in
bestimmten Grenzen zugelassen sind, unbefriedigend und kann zu Fehlbeurteilungen
führen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, zur Qualitätskontrolle Kenngrößen zu benutzen, die
genauere Aussagen über die Beschaffenheit von Ausgangsstoff und Endprodukt
zulassen. Für den Vergleich soll dasselbe Meßverfahren anwendbar sein. Die gleichen
Kenngrößen sollen sowohl am Ausgangsstoff bzw. an einer Reverenzprobe des
Ausgangsstoffes als auch für das Endprodukt selbst ermittelbar sein. Es soll ein
möglichst breites Spektrum der Werte erfaßbar sein, wobei die gemessenen Werte
unmittelbar zur elektronischen Erfassung geeignet sein sollen.
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Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art durch die in
Patentanspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Danach werden mit einer NMR-
Sonde ermittelbare Meßwerte für Ausgangsstoff und Endprodukt miteinander
verglichen.
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Eine NMR-Sonde (Nuclear Magnetic Resonance-Sonde) ist ein Meßgerät, mit dem
zur Analyse von Materialien kernmagnetische Resonanz angewandt wird, vgl.
A. Guthausen et al, "NMR-Bildgebung und Materialforschung" in Chemie unserer Zeit,
32. Jahrg. 1998, S. 73 ff. Bei der NMR-Spektroskopie werden Atomkerne mit einem
magnetischen Moment (z. B. 1H, 2H, 13C, 31P) untersucht. Dabei befindet sich das zu
analysierende Material in einem statischen Magnetfeld B0 und wird mit einem
zusätzlichen das statische Magnetfeld überlagernden hochfrequenten magnetischen
Feld B1 angeregt. Die dabei entstehenden Echoimpulse, die von der NMR-Sonde
gemessen werden, geben eine Information über die räumliche Materialstruktur und
Beschaffenheit des Materials. Die von der NMR-Sonde gemessenen magnetischen
Daten lassen sich unmittelbar elektronisch verarbeiten.
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Die NMR-Sonde ermöglicht Messungen an Ausgangsstoff und Endprodukt an
unterschiedlichen Stellen des Materials, was insbesondere bei lokalen
Inhomogenitäten des Materials vorteilhaft ist, um Fehlentscheidungen aufgrund eines
an einer Materialstelle gemessenen Extremwertes zu vermeiden. Das Material wird
kernmagnetisch analysiert, für Ausgangsstoff und Endprodukt werden somit direkt
miteinander vergleichbare Meßwerte zur Qualitätsprüfung benutzt. Als Meßwerte
stehen z. B. Relaxationszeiten, Echoamplituden, Mehrquantensignale, für Flüssigkeiten
Translationsdiffusionskoeffizienten zur Verfügung. Diese Meßwerte korrelieren mit den
bisher üblicherweise zur Qualitätskontrolle herangezogenen empirischen
Materialkenngrößen, wie beispielsweise E-Modul, Schubmodul, Molekülstruktur,
(Ketten-)Steifigkeit, Druckverformungsrest (DVR), Verlustwinkel etc.
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Zur Ermittlung der NMR-Kenngrößen insbesondere am fertigen Endprodukt oder
gegebenenfalls auch noch während eines Fertigungsprozesses wird das Verfahren
bevorzugt zerstörungsfrei für das Endprodukt durchgeführt, Patentanspruch 2. Hierfür
sind mobile NMR-Sonden geeignet, vor allem unilaterale NMR-Sonden vom Typ NMR-
MOUSE (Nuclear Magnetic Resonance-MObile Universal Surface Explorer), die
zerstörungsfreie Messungen durch Auflegen der NMR-MOUSE auf die
Produktoberfläche erlauben, Patentansprüche 3, 4 und 5.
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Wegen der stets bestehenden Strukturdifferenzen und zulässigen lokalen
Materialunterschiede ist es zur Feststellung der gegebenen Qualität des Materials in
weiterer Ausgestaltung der Erfindung nach Patentanspruch 5 vorgesehen, die
Meßwerte für Ausgangsstoff und Endprodukt an für die zu ermittelnden Meßgrößen
analogen, lokal aber verschiedenen Stellen des Ausgangsstoffs und des Endprodukts
zu messen und statistisch auszuwerten und die so erhaltenen statistischen Daten
miteinander zu vergleichen. Insbesondere wegen der Zerstörungfreiheit der NMR-
Untersuchung sind Messungen an Ausgangsstoff und Endprodukt an unterschiedlichen
Stellen des Materials möglich, was insbesondere bei lokalen Inhomogenitäten des
Materials vorteilhaft ist, um Fehlentscheidungen aufgrund eines an einer Materialstelle
gemessenen Extremwertes zu vermeiden.
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Zweckmäßig werden die erfaßten Daten parameterisiert, Patentanspruch 6, d. h. aus
den erhaltenen Meßwerten, die einerseits schon wegen des Meßfehlers der Meßgeräte
von einander abweichen, sich andererseits aber vor allem wegen der Inhomogitäten im
zu untersuchenden Material unterscheiden, wird eine charakteristische Größe als
Kenngröße für die Materialbeschaffenheit ermittelt, die einen Wertevergleich zwischen
Ausgangsstoff und Endprodukt für die Qualitätskontrolle zuläßt.
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Die Erfindung und weitere Ausbildungen der Erfindung werden nachfolgend anhand
von Ausführungsbeispielen erläutert. Die Zeichnung zeigt im einzelnen:
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Fig. 1 Fördergurt mit Meßstellen
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Fig. 2 NMR-Meßwerte für Ober- und Unterseite des Fördergurts
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Fig. 3 Meßwerteverteilung
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Fig. 4 NMR-MOUSE-Sonde mit stabförmigem Permanentmagneten
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Fig. 5 NMR-MOUSE-Sonde mit u-förmigem Permanentmagneten
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Fig. 1 zeigt schematisch als Beispiel für eine Materialuntersuchung mit NMR-Sonden
die Ermittlung von Kennwerten für einen Fördergurt 1 aus polymerem Werkstoff mit im
Werkstoff eingebetteten Festigkeitsträgern 2, im Ausführungsbeispiel mit eingebetteten
Stahldrähten. Zur Ermittlung der Beschaffenheit des Fördergurts sind im
Ausführungsbeispiel Meßstellen 4 vorgesehen, an denen jeweils eine NMR-Sonde
angeordnet ist. Die NMR-Sonden und die den NMR-Sonden jeweils zugeordneten
Regelgeräte und Meßwertspeicher sind in Fig. 1 nicht dargestellt. Insgesamt sind zur
Materialanalyse im Ausführungsbeispiel 13 Meßstellen 4 eingerichtet.
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Fig. 1 zeigt eine Materialanalyse am Endprodukt. In analoger Weise wird der
Ausgangsstoff untersucht, gegebenenfalls eine Referenzprobe des Ausgangsstoffes.
Auch für den Ausgangsstoff, insbesondere bei gegebener Materialinhomogenität
werden mehrere Stellen des Ausgangsstoffs oder mehrere Referenzproben mit einer
NMR-Sonde untersucht.
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Von den NMR-Sonden werden im Ausführungsbeispiel die Relaxationszeiten
gemessen, die den Zerfall der Impulsantwort auf ein gepulstes magnetisches
Anregungsfeld charakterisieren und mit einer Mehrfachechosequenz vom Typ CPMG
gemessen werden können. In Fig. 2 sind die Meßwerte für den Fördergurt 1 nach
Fig. 1 angegeben. Die von den einzelnen NMR-Sonden an den Meßstellen jeweils
ermittelten Relaxations-Zeitkonstanten T2 des Signalzerfalls erlauben Rückschlüsse
auf die molekulare Beschaffenheit des Materials. Sie korrelieren z. B. mit der bisher
zum Qualitätsvergleich heran gezogenen Kenngröße Schubmodul.
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Statt der Relaxations-Zeitkonstanten T2 lassen sich als materialcharakteristische Daten
mit der NMR-Sonde z. B. auch Signalamplitude, Mehrquantensignale und
Translationsdiffusionskoeffizienten messen und auswerten.
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In Fig. 2 sind Meßwerte T2 in ms aufgetragen, die von den NMR-Sonden an den 13
Meßstellen an der Oberseite des Fördergurts gemessen wurden, Fig. 2a, sowie an
der Unterseite des Fördergurts ermittelt worden sind, Fig. 2b. In Fig. 2a, 2b ist
jeweils der aus den 13 Meßwerten errechenbare Mittelwert <T2> sowie die sich für den
Einzelwert jeweils ergebende Abweichung vom Mittelwert ΔT2 angegeben. Aus Fig.
3 sind die Meßwertverteilung und die Häufigkeit der Abweichungen vom Mittelwert
ersichtlich.
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Gemäß der Erfindung werden die Meßsignale parameterisiert, z. B. durch Anpassen
einer gebrochenen Exponentialfunktion
f(t) = A exp{-(1/b)(t/T2)b}
oder einer bi-exponentiellen Funktion
f'(t) = A exp{-t/T2short} + B exp{-t/T2long}.
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Aus den Verteilungen der Fitparameter der Funktionen, also
für f(t) A, b, T2, bzw.
für f'(t) A, B, T21, T22,
werden Kenngrößen abgeleitet, z. B. können aus der Häufigkeitsverteilung P(T2) der
Relaxationszeiten T2 nach Fig. 3 die mittlere Relaxationszeit <T2> und eine der
Verteilung entsprechende Abweichung Δ*T2 abgeleitet werden. Solche Kenngrößen
können zu charakteristischen Werten kombiniert werden, z. B.
die eine Produkteigenschaft mit hoher Trennschärfe beschreiben.
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Die aus den gemessenen NMR-Werten parameterisierten K-Werte, K1, K2 oder K3,
werden als charakteristische Kenngrößen für Ausgangsstoff bzw. Referenzprobe und
Endprodukt ermittelt und lassen sich als Vergleichswerte für die Qualitätskontrolle im
Ausführungsbeispiel benutzten.
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Werden andere NMR-Meßwerte gemessen, ergeben sich andere Kennzahlen je nach
Funktion der Messwerteparameter des Meßsignals.
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Zur Ermittlung der Meßwerte geeignete unilaterale NMR-Sonden vom Typ NMR-
MOUSE sind beispielhaft in Fig. 4 und 5 schematisch dargestellt.
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Die NMR-Sonde nach Fig. 4 weist auf einem stabförmigen Permanentmagneten 5 als
unilaterale Sonde nur in einer Ebene senkrecht zum permanentmagnetischen
Polarisationsfeld B0, im Ausführungsbeispiel auf einer der Polflächen 6 des
Permanentmagneten, acht in der Ebene oktogonal benachbart
angeordnete Hochfrequenzspulen (HF-Spulen) 7 mit parallel zur Polfläche
verlaufenden flachen Leiterschleifen zur Erzeugung eines magnetischen
Anregungsfeldes B1 auf. Von den aufgesetzten HF-Spulen 7 werden jeweils
benachbarte HF-Spulen gegenphasig betrieben und erzeugen alternierend
entgegengesetzt ausgerichtete Anregungsfelder B1 mit zum permanentmagnetischen
Polarisationsfeld B0 orthogonalen Querkomponenten. Die Richtungen der von den HF-
Spulen 7 erzeugten Magnetfelder sind sinnbildlich mit positivem (+) und negativem (-)
Vorzeichen angegeben. Bei NMR-Sonden dieser Art ist auch im gegebenen
inhomogenen Polaritätsfeld B0 das Signal-zu-Rausch-Verhältnis zugunsten einer
höheren Signalausbeute verbessert. Je mehr Anregungsfelder erzeugt werden, um so
höher ist die Empfindlichkeit der Sonde, wobei die Eindringtiefe der Anregungsfelder
jeweils von der Anordnung und Ausbildung der HF-Spulen bestimmt wird. Maßgebend
ist ein charakteristischer Abstand derjenigen Stromleiter oder Stromleiterbereiche, die
jeweils eines der alternierenden Anregungsfelder erzeugen. Für die NMR-Sonde nach
Fig. 4 ist für die Eindringtiefe des Anregungsfeldes B1 der Radius r einer
Leiterschleife der HF-Spule und für die Empfindlichkeit der Abstand d zwischen den
alternierend betriebenen HF-Spulen maßgebend. Die Eindringtiefe nimmt mit kleiner
werdendem Radius ab, die Empfindlichkeit mit kleiner werdendem Abstand zu, der
Spulenradius und die Anzahl der pro Flächeneinheit in der Ebene angeordneten HF-
Spulen geben somit das Maß für das von der NMR-Sonde analysierbare
Materialvolumen an. Damit läßt sich die NMR-Sonde über den gewählten Abstand der
Stromleiter des Hochfrequenzschwingkreises auf die Stärke des zu untersuchenden
Materials einstellen und zugleich bezüglich des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses
optimieren.
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Jede der HF-Spulen 7 kann im Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 jeweils einzeln
betrieben werden. Dies hat den Vorteil, daß mit der NMR-Sonde zugleich Mittelwerte
der Meßgrößen, die von den einzelnen HF-Spulen (zeitlich versetzt) gemessen
werden, aber auch materialspezifische Abweichungen der gleichen Meßgrößen an
lokal verschiedenen Stellen des Materials, also Varianten der Meßgrößen für örtlich
unterschiedliche Materialbereiche ermittelt werden können. Werden die Hf-Spulen 7
nicht jeweils einzeln, sondern - unter Beibehaltung alternierend erzeugter
Anregungsfelder - hintereinander geschaltet betrieben, so erhält man bei einer
Messung einen Mittelwert der von allen HF-Spulen ermittelten Meßgrößen.
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Zur elektrischen Versorgung der HF-Spulen sowie zur Rückübertragung der von den
HF-Spulen empfangenen Meßsignale zur Auswertung der Meßergebnisse dient im
Ausführungsbeispiel ein mit den HF-Spulen verbundenes HF-Versorgungskabel 8. Im
Ausführungsbeispiel sind die HF-Spulen in einem Träger 9 bestehend aus Glas oder
Halbleitereinkristallscheiben aufgebracht oder eingebettet, wobei die Oberfläche des
Trägers 9 chemisch modifizierbar ist. So läßt sich z. B. zur Verhinderung einer
Benetzung der Oberfläche mit Wasser eine hydrophobe Oberfläche schaffen, die - da
Wasser Protonen enthält - für ein hintergrundfreies Meßsignal vorteilhaft ist.
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Statt einer NMR-Sonde mit stabförmigen Permanentmagneten ist in gleicher Weise
beispielsweise auch eine unilaterale NMR-Sonde mit u-förmigem Permanentmagneten
10 mit magnetischen Nord(N)- und Südpol(S) und einer mäanderförmig ausgebildeten
HF-Spule 11 geeignet. Die HF-Spule 11 ist im u-förmigen Permanentmagneten 10, der
ein in Fig. 5 schematisch durch parallele Magnetfeldlinien 12 dargestelltes
Polarisationsfeld B0 erzeugt, zwischen dessen Polschenkeln 13, 14 angeordnet und an
ihren Enden mit Stromanschlüssen 15, 16 versehen. Infolge des gegebenen
Stromverlaufs in den Mäandern der HF-Spule 11 weisen benachbarte Mäander jeweils
eine entgegengesetzte Stromrichtungen auf. Auf diese Weise werden jeweils zwischen
den Mäanderwindungen alternierend entgegengesetzt gerichtete magnetische
Anregungsfelder B1 ausgebildet. Die Anregungsfelder B1, deren Magnetfeldlinien 17
und deren Verlauf in Fig. 5 lediglich schematisch wiedergegeben sind, überlagern das
zwischen den Polschenkeln 13, 14 ausgebildete Polarisationsfeld B0 und erzeugen im
Magnetfeldraum oberhalb der mäanderförmigen HF-Spule 11 Querkomponenten, die
senkrecht zum Polarisationsfeld B0 verlaufen.
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Die Eindringtiefe der Anregungsfelder B1 wird bei der mäanderförmigen HF-Spule 11
bestimmt vom Abstand 18 benachbarter Mäanderwindungen. Der Abstand 18
entspricht dem doppelten Spulenradius r einer HF-Spule 7 nach dem
Ausführungsbeispiel nach Fig. 4. Der Abstand 18 bestimmt aber auch die
Empfindlichkeit der NMR-Sonde, da er auch dem Abstand d zwischen den
benachbarten HF-Spulen 7 nach Fig. 4 entspricht. Die Empfindlichkeit der NMR-
MOUSE-Sonde nach Fig. 5 nimmt somit mit größer werdendem Abstand 18 zwischen
den Mäanderwindungen der HF-Spule 11 ab. Für eine mäanderförmige HF-Spule ist
deshalb mit Bestimmung des Abstandes 18 zwischen den Mäanderwindungen eine
Optimierung von Eindringtiefe und Empfindlichkeit der NMR-Sonde gegeben.
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Wegen der Zerstörungsfreiheit durch Auflegen und der Anpassungsmöglichkeit von
Eindringtiefe und Empfindlichkeit sind die vorbeschriebenen unilateralen NMR-
MOUSE-Sonden in besonderer Weise zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens geeignet. Signifikant ist ein optimales Signal-zu-Rausch-Verhältnis, was
zu einer auch hohen Anforderungen genügenden Trennschärfe zur Charakterisierung
der Materialeigenschaften führt.
Bezugszeichenliste
1 Fördergurt
2 Festigkeitsträger
4 Meßstellen
5 stabförmiger Permanentmagnet
6 Polflächen
7 Hochfrequenzspule (HF-Spule)
8 HF-Versorgungskabel
9 Träger
10 u-förmiger Permanentmagnet
11 mäanderförmige HF-Spule
12 Magnetfeldlinien
13, 14 Polschenkel
15, 16 Stromanschlüsse
17 Magnetfeldlinien
18 Abstand