DE19520547A1

DE19520547A1 - Measuring volume of any shaped body using closed tubular hollow body e.g. for gold jewellery

Info

Publication number: DE19520547A1
Application number: DE1995120547
Authority: DE
Inventors: J Dr Gros; Andreas Hock; Jochen Dr Fricke
Original assignee: ZAE Bayern Bayerisches Zentrum fuer Angewandte Energieforschung eV
Current assignee: ZAE Bayern Bayerisches Zentrum fuer Angewandte Energieforschung eV
Priority date: 1995-06-06
Filing date: 1995-06-06
Publication date: 1996-12-12

Abstract

In the cavity in which the body to be measured is introduced, a sound resonance is also produced with a selected phase relationship. The vol. of the body is determined from the two resonance frequencies and the vol. of the cavity. A second resonator is arranged in the cavity, the resonance frequency of which cannot be influenced by the body being measured. This second resonance frequency is used as the frequency norm for the longitudinal resonance. The gas pressure in the measuring tube can be altered.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung von Volumina beliebig geformter Körper mit Hilfe eines geschlossenen, rohrförmigen Hohlkörpers, in dem ein Schallsender und ein Schallempfänger angebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß zum einen in dem leeren, nur gasgefüllten bzw. luftgefüllten, rohrförmigen Hohlraum eine Schallresonanz mit einer definierten Phasenbeziehung zwischen Sender und Empfänger erzeugt wird und daß zum anderen in dem Hohlraum, in dem der zu vermessende Körper eingebracht ist, ebenfalls eine Schallresonanz mit einer definierten Phasenbeziehung er zeugt wird. Aus den Frequenzen dieser beiden Resonanzen und dem Volumen des Hohl raums wird das Volumen des Körpers ermittelt.The present invention relates to a method for measuring volumes body of any shape with the help of a closed, tubular hollow body in which a sound transmitter and a sound receiver are attached, characterized in that on the one hand in the empty, only gas-filled or air-filled, tubular cavity Sound resonance with a defined phase relationship between transmitter and receiver is generated and that on the other hand in the cavity in which the body to be measured is introduced, it also has a sound resonance with a defined phase relationship is fathered. From the frequencies of these two resonances and the volume of the hollow the volume of the body is determined.

Das Volumen und die Dichte eines unregelmäßig geformten Körpers kann man bestim men, indem man den Körper in eine Flüssigkeit taucht und das durch den Körper ver drängte Flüssigkeitsvolumen bestimmt (z. B. Goldschmuck). Dies ist jedoch nicht möglich, wenn der Körper in der Flüssigkeit löslich ist oder seine Oberfläche nicht benetzt werden The volume and density of an irregularly shaped body can be determined by immersing the body in a liquid and verifying that through the body determined volume of liquid determined (e.g. gold jewelry). However, this is not possible if the body is soluble in the liquid or its surface is not wetted

darf. Gefordert ist ein berührungsloses und zerstörungsfreies Verfahren. Erfindungsgemäß wird dazu eine physikalische Abhängigkeit von Schallresonanzen in einem Hohlkörper von einem Probenvolumen in diesem Hohlkörper genutzt. Neue Materialien, die im Labormaßstab hergestellt werden, können somit vermessen und ihre Dichte festgestellt werden. Die Größe diverser Granulatkörner, sowie das Volumen poröser Materialien (z. B. Aerogel) kann untersucht werden.may. A non-contact and non-destructive process is required. According to the invention a physical dependence of sound resonances in a hollow body of a sample volume used in this hollow body. New materials that are manufactured on a laboratory scale can thus be measured and their density can be determined. The size of various granules, as well as that Volume of porous materials (e.g. airgel) can be examined.

Das Meßgerät besteht im Wesentlichen aus einem beidseitig geschlossenen, vorzugs weise zylindrischen Rohr, in dem mit Hilfe eines Schallsenders eine Schallresonanz mit einer Frequenz f₀ angeregt wird und mit Hilfe eines Schallempfängers (Mikrophon) detektiert wird. Die Resonanz wird eingestellt, indem die Frequenz des anregenden Os zillators variiert wird, bis eine vorher definierte Phasenbeziehung zum Empfangssystem besteht. Durch eine wiederverschließbare Öffnung in der Nähe eines Rohrendes wird die zu vermessende Probe in das Rohr eingebracht. Nachdem das Rohr wieder geschlossen wurde, stellt sich eine etwas höhere Resonanzfrequenz f₁ ein. Die Verschiebung der Resonanzfrequenz ist proportional zum Volumen der Probe, aber unabhängig von ihrer Form. Daraus kann das Probenvolumen berechnet werden:The measuring device consists essentially of a preference closed on both sides wise cylindrical tube in which a sound resonance with the help of a sound transmitter a frequency f₀ is excited and with the help of a sound receiver (microphone) is detected. The resonance is adjusted by the frequency of the exciting Os zillators is varied until a previously defined phase relationship to the receiving system consists. Through a reclosable opening near one end of the pipe sample to be measured is introduced into the tube. After the pipe closed again was, a slightly higher resonance frequency f₁. The shift of the Resonance frequency is proportional to the volume of the sample, but independent of its Shape. The sample volume can be calculated from this:

wobei V_r das Volumen des Rohres ist.where V _{r is} the volume of the pipe.

Schallsender und Schallempfänger werden so im Meßrohr angebracht, daß Schallrefle xionen bzw. Schallresonanzen zwischen ihnen stattfinden können; vorzugsweise liegen die Schallwandler an den gegenüberliegenden Enden des Meßrohres, die Meßprobe liegt da zwischen. Es kann auch ein einziger Schallwandler gleichzeitig als Sender und Empfänger wirken.Sound transmitters and sound receivers are mounted in the measuring tube so that sound reflect xions or sound resonances can take place between them; preferably the Sound transducer at the opposite ends of the measuring tube, the test sample is there between. A single transducer can also be used as a transmitter and receiver at the same time Act.

Das Meßrohr besteht vorzugsweise aus Metall oder Glas. Die Größe des Meßrohres - und damit auch seine Grundresonanzfrequenz - wird auf die Größe der zu vermessenden Probe abgestimmt: Im Prinzip kann das Verfahren in einem Frequenzbereich von 0 bis etwa 10 MHz arbeiten; die Frequenz und auch die Abmessungen des Rohres sind jedoch abhängig von der Größenordnung der Probe. Damit die oben genannte Proportionalität zwischen Frequenzverschiebung und Probenvolumen mit ausreichender Genauigkeit gilt, muß die Resonanzwellenlänge deutlich größer als die Probengröße sein. Die Länge des Rohres sollte also mindestens 5 mal so groß wie der Durchmesser der Probe sein, vor zugsweise 20 mal bis 50 mal so groß. Um das Auftreten von Querresonanzen sicher zu vermeiden ist es außerdem nötig, daß die Rohrlänge mindestens 3 mal so groß, vorzugs weise etwa 10 mal so groß wie der Rohrquerschnitt bzw. -durchmesser ist. Das gesamte Innenvolumen des Meßrohrs soll möglichst gering gehalten werden. Für Proben von beispielweise ein bis zwei Zentimeter Durchmesser ergibt sich daraus eine Rohrlänge L von etwa 50 cm. Der optimale Rohrdurchmesser beträgt dann ungefähr 2 cm. Für die Resonanzfrequenz gilt: f₀ = c/2L ≈ 340 Hz , wobei c die Schallgeschwindigkeit der Luft ist. Für die Vermessung sowohl deutlich größerer, als auch wesentlich kleinerer Proben (z. B. einzelne Pulverkörner mit einem Durchmesser von ca. 0,1 mm) läßt sich das Gerät optimieren. Um das Meßrohrvolumen für größere Proben möglichst klein zu halten, kann der eigentliche Meßrohrdurchmesser auch kleiner sein als der Querschnitt des Raumes für die Probenaufnahme, d. h. das Meßrohr besitzt eine Probenkammer mit einem erweitertem Rohrquerschnitt. Für große Proben, die bei niedrigen Frequenzen vermessen werden, sind die Meßrohre sehr lang. Um eine platzsparende Bauweise zu erreichen, ist es möglich, das Meßrohr in einer gebogenen oder sogar spiralförmigen Form zu fertigen.The measuring tube is preferably made of metal or glass. The size of the measuring tube - and thus also its basic resonance frequency - is based on the size of the one to be measured Sample matched: In principle, the method can be in a frequency range from 0 to work about 10 MHz; however, the frequency and dimensions of the pipe are depending on the size of the sample. So the above proportionality between frequency shift and sample volume applies with sufficient accuracy, the resonance wavelength must be significantly larger than the sample size. The length of the So the tube should be at least 5 times the diameter of the sample preferably 20 times to 50 times as large. To ensure the occurrence of cross-resonances to avoid it is also necessary that the pipe length is at least 3 times as long, preferably about 10 times as large as the pipe cross-section or diameter. The entire Internal volume of the measuring tube should be kept as low as possible. This results in samples of, for example, one to two centimeters in diameter a tube length L of about 50 cm. The optimal pipe diameter is then about 2 cm. The following applies to the resonance frequency: f₀ = c / 2L ≈ 340 Hz, where c is the speed of sound is in the air. For the measurement of both significantly larger and significantly smaller samples (e.g. individual powder grains with a diameter of approx. 0.1 mm) the device can be used optimize. To keep the measuring tube volume as small as possible for larger samples, the actual measuring tube diameter may also be smaller than the cross section of the room for sample collection, d. H. the measuring tube has a sample chamber with a extended pipe cross-section. For large samples that measure at low frequencies the measuring tubes are very long. To achieve a space-saving design, it is possible to manufacture the measuring tube in a curved or even spiral shape.

Mit der oben beschrieben Meßapparatur und der Auswertung nach obiger Formel liegt die Meßgenauigkeit des Volumens bei etwa 3% bis 5%. Durch einige weitere konstruktive Maßnahmen lassen sich höhere Genauigkeiten erreichen: Eine Fehlerquelle ist die mögliche Temperaturdrift in der Gasfüllung des verhält nismäßig langen Rohres, die die Schallgeschwindigkeit und damit die Resonanzfrequenz verändert. Dieser Fehler läßt sich eliminieren, indem die Resonatorfrequenz eines zweiten Resonators als Frequenznormal dient, bezogen auf die Resonanzfrequenz des Hauptresona tors. Dazu wird ein zweiter akustischer Resonator in demselben Resonatorraum eingebaut, dessen Schallwandler aber so angebracht sind, daß Schallreflexionen zwischen Schallsen der und -empfänger nicht von der Meßprobe beeinflußt werden können. Dieser Resonator liegt gegebenenfalls in der Mitte des Rohres und senkrecht zu dessen Längsachse, wo bei der Durchmesser des Rohres als Resonatorstrecke verwendet werden kann. Es ist für diesen Zweck aber auch möglich, ein zweites Resonatorrohr mit dem Hauptresonatorrohr derartig zu verbinden, daß sich die Rohrhohlräume kreuzen. Eine weitere Fehlerquelle ist eine, von der Oberflächenbeschaffenheit der Probe abhängige Randschicht um die Probe, in der die Luftschicht nicht adiabatisch, sondern isotherm komprimiert wird. Die Dicke dieser Randschicht ist ebenfalls von der Schallfre quenz abhängig. Ein ähnliches Problem tritt auf, wenn bei porösen Materialien Gas in die äußere Materialschicht eindringt. Der daraus resultierende Volumenfehler (vor allem bei kleinen Proben) läßt sich wie folgt eliminieren: Es wird zusätzlich eine Oberschwingung des Resonators angeregt und damit auch das Probenvolumen vermessen. Aus der scheinbaren Veränderung des Probenvolumens läßt sich der Volumenfehler korrigieren. Extrem deformierbare Proben können durch den Schallwechseldruck verformt werden. Durch Variation des Gasdrucks im Rohr kann die Kompressibilität der Probe festgestellt werden und damit der Volumenfehler rechnerisch korrigiert werden.With the measuring apparatus described above and the evaluation according to the above formula the measurement accuracy of the volume at about 3% to 5%. By some more constructive Measures can be achieved with higher accuracy: A source of error is the possible temperature drift in the gas filling of the behaves long pipe, which the speed of sound and thus the resonance frequency changed. This error can be eliminated by using a second resonator frequency The resonator serves as the frequency standard, based on the resonance frequency of the main reson tors. For this purpose, a second acoustic resonator is installed in the same resonator room, whose sound transducers are attached so that sound reflections between sounds the and receiver cannot be influenced by the test sample. This resonator is possibly in the middle of the tube and perpendicular to its longitudinal axis, where can be used as a resonator section for the diameter of the tube. It is for this purpose is also possible, a second resonator tube with the main resonator tube to connect in such a way that the tube cavities cross. Another source of error is one from the surface condition of the sample dependent boundary layer around the sample, in which the air layer is not adiabatic, but isothermally compressed. The thickness of this boundary layer is also of the sound-free type quenz dependent. A similar problem arises when gas is present in porous materials the outer layer of material penetrates. The resulting volume error (especially for small samples) can be eliminated as follows: In addition, a harmonic of the resonator is excited and with it also that Measure sample volume. From the apparent change in the sample volume correct the volume error. Extremely deformable samples can be deformed by the acoustic pressure. The compressibility of the sample can be determined by varying the gas pressure in the pipe and the volume error is corrected arithmetically.

Anhand einer schematischen Zeichnung (Fig. 1) wird eine mögliche Ausführungsform der Volumenmeßvorrichtung dargestellt: Der Resonanzhohlkörper [1] ist ein geschlossenes zylindrisches Rohr aus Messing mit 50 cm Länge und einem Innendurchmesser von 2,8 cm. Diese Größe ist geeignet für Proben mit einem Durchmesser von etwa 0,1 cm bis etwa 2,5 cm. Das untere Ende des Meßrohrs läßt sich abnehmen. Mit Hilfe einer Halteklammer kann dort eine Meßprobe [2] befestigt werden. Das obere und untere Ende der Röhre wird von einem Schallsender [3], bzw. Schallempfänger [4] mit nachgeschaltetem Vorverstärker [6] gebildet. Diese Schallwandler sind piezoelektrische Biegewandler. Mit einem Frequenzgenerator, dem VCO (Voltage Controlled Oszillator) [5] wird der Sender mit einer Sinusschwingung angeregt. Die Grundresonanzfrequenz für diese Röhre liegt bei etwa 340 Hz. Die Resonanz wird eingestellt, indem die Frequenz variiert wird, bis eine vorher de finierte Phasenbeziehung zwischen Sende- und Empfangssignal besteht (z. B. 90°). Dies geschieht mit Hilfe eines Lock-in-Verstärkers [7]. Das Phasensignal wird im nachgeschal teten Integrator [8] verarbeitet und zur Steuerung des VCOs genutzt. Die Frequenz wird mit Hilfe eines üblichen Frequenzzählers gemessen. Lock-in-Verstärker, Integrator und VCO können als Alternative auch durch eine PLL- Schaltung (Phase Locked Loop) ersetzt werden.A possible embodiment of the volume measuring device is shown with the aid of a schematic drawing ( FIG. 1): the resonance hollow body [1] is a closed cylindrical tube made of brass with a length of 50 cm and an inner diameter of 2.8 cm. This size is suitable for samples with a diameter of approximately 0.1 cm to approximately 2.5 cm. The lower end of the measuring tube can be removed. A measuring sample [2] can be attached there with the aid of a retaining clip. The upper and lower end of the tube is formed by a sound transmitter [3] or sound receiver [4] with a preamplifier [6] connected downstream. These transducers are piezoelectric bending transducers. The transmitter is excited with a sine wave using a frequency generator, the VCO (Voltage Controlled Oscillator) [5]. The basic resonance frequency for this tube is around 340 Hz. The resonance is adjusted by varying the frequency until a previously defined phase relationship exists between the transmit and receive signals (e.g. 90 °). This is done with the help of a lock-in amplifier [7]. The phase signal is processed in the downstream integrator [8] and used to control the VCO. The frequency is measured using a conventional frequency counter. Lock-in amplifier, integrator and VCO can alternatively be replaced by a phase locked loop (PLL) circuit.

Claims

1. A method for measuring volumes of any shape body with the help of a closed, tubular hollow body in which a sound transmitter and a sound receiver is attached, characterized in that in the empty, gas-filled cavity, a sound resonance with a defined phase relationship between Sen and the receiver is generated that in the cavity in which the body to be measured is introduced, a sound resonance with a defined phase relationship is also generated and that the volume of the body is determined from the two resonance frequencies and the volume of the cavity.

2. The method according to claim 1, characterized in that a second in the cavity Resonator is set up, the resonance frequency of which is not to be measured Body can be influenced and its resonator frequency as the frequency standard is used for longitudinal resonance.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that basic and upper sound resonances can be generated and measured in the measuring tube.

4. The method according to any one of claims 1 or 2 or 3, characterized in that the gas pressure in the measuring tube can be changed.

5. A device for performing a method according to claim 1, characterized records that the resonances with the help of a lock-in amplifier and a voltage Controlled oscillators can be set.

6. Device for performing a method according to claim 1, characterized records that the resonances are set using a PLL circuit.

7. The device for performing a method according to claim 1, characterized records that a single transducer simultaneously as a sound transmitter and sound receiver is operated.

8. Device for performing a method according to claim 1, characterized characterized in that the measuring tube at the point where the body to be measured is is brought, has a larger cross section.

9. Device for performing a method according to claim 1, characterized in that the measuring tube has a curved or spiral shape.