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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Untersuchung der Eigenschaften
eines Mediums mit mindestens einer Ultraschall-Sendeeinheit mit mindestens einem Wandler
zur Erzeugung von Mehrfrequenz-Ultraschallsignalen und mit mindestens
einer Ultraschall-Empfangseinheit
mit mindestens einem Wandler zum Empfang der durch das Medium beeinflussten,
insbesondere reflektierten, gedämpften und/oder
abgelenkten Sendesignale.
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Sowohl
in der medizinischen Diagnostik als auch in der zerstörungsfreien
Materialprüfung,
dem „nondestructive
testing" unterschiedlicher
Materialien oder Materialkompositionen, gibt es zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten
für derartige
Vorrichtungen. So besteht beispielsweise ein Hauptproblem in der Medizin
darin, ein bestimmtes räumliches
Gebiet im menschlichen Körper
als Ganzes mittels Ultraschall zu erfassen. Üblicherweise werden hierzu
nur Ultraschallsonden mit einer einzigen Frequenz verwendet. Das
grundsätzliche
Problem besteht hierbei darin, dass Wellenlänge und Frequenz zueinander
in einer reziproken Beziehung gemäß der Gleichung c_m
= λ·fstehen,
wobei c_m die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls mit der jeweiligen
Frequenz im jeweiligen Medium bezeichnet, λ die Wellenlänge in diesem Medium und f
die gewählte
Frequenz, mit der das Ultraschallsignal ausgesandt wird. Da die
Wellenlänge umgekehrt
proportional zur Frequenz ist, wird bei gegebener Frequenz die effektive
Eindringtiefe durch die Abschwächungseigenschaften
des untersuchten Mediums bestimmt. Ist es für den jeweiligen diagnostischen
Vorgang daher erforderlich, aus Gründen der Untersuchungsgüte eine
andere Frequenz zu wählen,
um eine andere Eindringtiefe zu erzielen, dann wird herkömmlicherweise
die verwendete Ultraschall-Sendeeinheit durch eine für die neu
gewählte Frequenz
besser geeignete ausgetauscht. So werden z.B. für Untersuchungen der Oberflächenstruktur der
Haut sehr hohe Frequenzen bis zu 30 MHz eingesetzt.
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In
anderen Einsatzgebieten der Ultraschalldiagnostik wie der zerstörungsfreien
Materialprüfung bzw. „nondestructive
testing" (NDT) besteht
das Ziel darin, mittels Ultraschall interessierende Eigenschaften
des betreffenden Materials (des beschallten Mediums) in Erfahrung
zu bringen. Hierfür
sind Ultraschallsonden mit einer für das jeweilige Medium geeigneten
Frequenz verwendbar. Die Frequenzbereiche reichen hierbei von niedrigen
Frequenzen mit mehreren 100 kHz bis zu Frequenzen im zweistelligen
MHz-Bereich, je nachdem, welche Materialeigenschaften man feststellen
will. Zu untersuchende Medien können
feste Materialien wie Metalle oder Fluide in flüssiger oder gasförmiger Phase
sein aber auch gemischte Medien wie Emulsionen oder in Flüssigkeiten
(z.B. in Öl) gelöste Gase.
Insbesondere für kontinuierlich
ablaufende chemische oder biologische Prozesse in Fluiden stellt
die Detektion der unterschiedlichen Eigenschaften dieser Fluide
wie auch von deren Zusammensetzung aus unterschiedlichen Komponenten,
z.B. in Mischungen und Emulsionen oder von in diesen Fluiden gelösten festen
oder gasförmigen
Substanzen mittels Ultraschall eine große technische Herausforderung
dar.
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Bisherige
technische Lösungen
dieses Problems, wie sie beispielsweise in der
EP 1 303 745 B1 beschrieben
sind, nutzen cw-Ultraschall (continuous wave), der von einer Sendeeinheit
kontinuierlich, aber mit nur einer einzigen Frequenz, in das zu
untersuchende Medium abgestrahlt wird. Die Wellenfronten des Ultraschallsignals
werden an einer Empfangseinheit aufgenommen und einem Komparator zugeführt, in
dem das Empfangssignal mit dem Originalsignal verglichen und gegebenenfalls
zu Beginn über
ein Verzögerungsglied
kalibriert wird. Die in geeigneter Form aufbereitete Abweichung
des Empfangsignals vom Originalsignal wird über eine Anzeigeeinheit dargestellt
und entsprechend der jeweiligen Aufgabenstellung interpretiert beziehungsweise nachgeschalteten
Auswerteeinheiten zugeführt.
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Die
in der
DE 10 324 990
B3 beschriebene Vorgehensweise der zeitlichen Partitionierung
des Sendesignals bei Verwendung mehrerer unterschiedlicher Frequenzen
in einzelnen Signalpaketen beschreibt einen Vorgang, in dem in sich
anschließenden
Sendevorgängen
andere Frequenzen pro Sendevorgang verwendet werden können. Es
wird hierdurch eine multi-frequente Beschallung eines Volumens des
zu untersuchenden Mediums erreicht, die wesentlich mehr Informationen über die
Eigenschaften des Mediums liefert als eine Beschallung nur mit einer
Frequenz. Allerdings stehen die Empfangssignale der mit unterschiedlichen
Frequenzen ausgesandten Ultraschallwellen erst mit entsprechenden
zeitlichen Verzögerungen
zur Verfügung.
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Diese
Verzögerung
T, die um den Betrag dT erhöht
wird, der die systembedingte Zeit repräsentiert, die erforderlich
ist, um die Ultraschall-Empfangsignale
einer entsprechend geeigneten Auswerteeinheit zuzuführen, schränkt die
Qualität
des bekannten Systems erheblich ein. Werden N Sendevorgänge mit
N verschiedenen Frequenzen zeitlich nacheinander durchgeführt, so
ergibt sich eine zeitliche Gesamtverzögerung
T_ges
= N·(T
+ dT),bis eine vollständige
Analyse des zu untersuchenden Mediums vorliegt. Diese Schranke gilt
prinzipiell für die
in der
DE 10 324 990
B3 beschriebene Vorgehensweise der zeitlichen Partitionierung
des Sendesignals bei Verwendung mehrerer unterschiedlicher Frequenzen
in einzelnen Signalpaketen, wie selbstverständlich auch bei der
EP 1 303 745 B1 ,
wenn dort N mal die Frequenz gewechselt würde.
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Physikalisch-chemische
und auch biologische Prozesse, deren charakteristische Eigenschaften
kürzere Änderungszeiten
als T_ges aufweisen, werden hierdurch nicht erfasst. Dies kann o.B.d.A. zum
Beispiel Prozesse wie Lösung
und Diffusion von durch elektrische Entladungen in isolierenden
Flüssigkeiten
entstandenen Gasen betreffen, die gegebenenfalls in unterschiedlicher
Weise mit Ultraschallwellen bei verschiedenen Frequenzen interagieren. Erfolgen
nun gleichzeitig rasche oder hochvariante Temperaturänderungen
des Mediums, wie z.B. bei Isolierölen in elektrischen Anlagen,
können
die ausgesandten Ultraschallwellen zu einem jeweils gegebenen Zeitpunkt
gerade mit der „falschen” Frequenz ausgesandt
worden sein, die nicht geeignet ist, um die charakteristischen Eigenschaften
des untersuchten Mediums zu erfassen. Derartige Prozesse können also
mit der bekannten Vorrichtung nicht hinreichend erfasst werden.
Es wird zwar durch eine Erhöhung
der Anzahl der Frequenzen eine bessere qualitative Unterscheidung
der verschiedenen Eigenschaften der im untersuchten Volumen vorhandenen Substanzen
erreicht, gleichzeitig wird aber die Gesamtuntersuchungszeit dieses
Volumens beträchtlich
verlängert,
wenn eine sequenzielle Abfolge der Aussendung von Ultraschallsignalen
der unterschiedlichen Frequenzen vorgenommen wird. Es ist mit den
bekannten Vorrichtungen somit nicht möglich, eine möglichst
große
Zahl von rasch ablaufenden physikalischchemischen beziehungsweise
biologischen Prozessen hinreichend gut erfassen zu können. Besonders
einschränkend
gemäß
EP 1 303 745 B1 ist
hierbei, dass in der bekannten Vorrichtung nur eine Frequenz pro
Sendevorgang verwendet werden kann. Damit benutzt man zwar ein zeitkontinuierliches
Signal, muss aber eine nicht vertretbar lange Zeit Ultraschall nur
mit einer Frequenz senden.
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Einer
umfassenden, alle Eigenschaften der interessierenden physikalischchemischen Änderungsprozesse
des untersuchten Mediums ermittelnden Detektion stehen sowohl bei
der bekannten Vorrichtung gemäß
EP 1 303 745 B1 als
auch bei der an dieser ansetzenden Vorrichtung gemäß
DE 10 324 990 B3 zwei
Haupthindernisse entgegen. Eines liegt – wie oben beschrieben – im Verfahren
selbst begründet.
Je mehr Frequenzen verwendet werden, umso mehr Informationen kann
man zwar über
die jeweiligen Materialeigenschaften des Mediums erhalten, umso
größer wird
jedoch auch die Untersuchungszeit und damit die Wahrscheinlichkeit,
bei rasch ablaufenden chemischen oder biologischen Reaktionen oder
physikalischen Vorgängen
und Ereignissen, die diese Vorgänge
charakterisierenden Merkmale nicht feststellen zu können. Das
zweite und für
die Beschallung von selbst einfachen geometrischen Messvolumina
wesentliche Haupthindernis besteht in der Abhängigkeit des Öffnungswinkels
des Schallfeldes von der verwendeten Frequenz.
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Es
gilt die Beziehung: Sin Θ := 1,22·λ/D (1)mit θ als Öffnungswinkel
und λ < D.
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Gleichermaßen gilt
am „Transitionspunkt", d.h. dem Übergangspunkt
von Nah- zu Fernfeld (Fresnel- zu Fraunhofer-Zone) die Beziehung D2/2·λ = D2·f/(2·c_m). (2)
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Hierbei
bezeichnet D den Durchmesser des Transducers, λ die Wellenlänge und f die verwendete Frequenz.
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit im Medium wird mit c_m bezeichnet
und als konstant angenommen. Der linken Seite von (2) entspricht
nach Angelsen (siehe Literaturliste, Nr. 1) die Länge, bzw. Höhe oder
Ausdehnung der Fresnel-Zone, des Nahfeldes, in dem Interferenzen
der ausgesandten Ultraschallwellen stattfinden. Signale aus dieser
Zone sind für
Auswertungen nicht geeignet. Daher muss man auf aus dem Fernfeld,
der Fraunhofer-Zone, stammende Signale zurückgreifen. Verwendet man nun
mehrere Frequenzen bei gleicher Transducergröße und möglichst gleicher Ausdehnung
des Nahfelds, dann ergeben sich über
Beziehung (1) aber frequent-abhängige Öffnungswinkel
für die
jeweiligen Schallfelder, i.e. insbesondere deren Fraunhofer-Zonen
(Fernfelder), die den Messraum überstreichen,
in dem die Bestimmung der für
das Medium und die in ihm jeweils stattfindenden physikalisch-chemischen oder
biologischen Prozesse charakteristischen Parameter erfolgt.
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Dies
bedeutet, dass für
hohe Frequenzen kleine Öffnungswinkel
auftreten und für
kleinere Frequenzen größere Öffnungswinkel.
Die Folge ist aber, dass interessierende Prozesse im betrachteten
Medium, die im weiteren (äußeren) Fernfeld
bei Aussendung einer niedrigeren Frequenz ggf. noch erfasst werden
können,
im Fernfeld für
eine höhere
Frequenz nicht unbedingt bzw. nicht mehr detektiert werden können, da
diese ggf. außerhalb
des Fernfelds für
die Ultraschallwellenausbreitung für die höheren Frequenzen liegen.
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Alternativen,
die versuchen, die o.g. Probleme technisch zu lösen, betreffen bislang nur
die zeitliche Partitionierung der ausgesandten Ultraschall-Signale
in Form von Signalpaketen, die unterschiedliche Frequenzen besitzen.
Dieses Vorgehen wird beispielsweise in der
DE 10 324 990 B3 beschrieben.
Das Problem der unteren zeitlichen Schranken für die Detektion der charakteristischen Parameter
von rasch stattfindenden Änderungsprozessen
bleibt allerdings auch hier weiterhin ungelöst. Denn die in den empfangenen
Signalpaketen enthaltenen Phasenänderungen φ_i für Pakete
P_i für
Frequenzen f_i, die beim Durchlaufen des Mediums entstanden sind,
müssen
wie auch bei der Vorrichtung gemäß
EP 1 303 745 B1 innerhalb
der Zeit der Periode T des ausgesandten Signals zu einer Speicher- und
Auswerteeinheit weitergeleitet und dort nachfolgend verarbeitet
werden. Hierbei stellt T_i → φ_i ~ 2·π eine Grenze
für die
nacheinander mit Periode T ausgesandten Gruppen von Signalpaketen
P_i mit Frequenzen f_i dar. Das in der Erörterung der Problematik der
in der
EP 1 303 745
B1 aufgeführten
Systemlösung
aufgezeigte Grundproblem bleibt auch in der zeitlich diskretisierten
Form weiterhin bestehen. Es wird zwar die Zeitschranke T_ges ggf.
unterschritten, die verstreicht, bis mit der Vorrichtung des
EP 1 303 745 B1 alle
Frequenzen „ausgesandt" worden sind. Aber
mit der für
die Aussendung aller Signalpakete P_i mit jeweils zugeordneten Frequenzen
f_i existierenden zeitlichen Schranke der Periodendauer T gibt es
für jede
Signalpaketgruppe mit Frequenz f_i ebenfalls jeweils eine untere
Schranke, die sich nicht beliebig verringern lässt. Auch hier muss, ganz abgesehen
von dem wesentlich erhöhten
Auswertungsaufwand aufgrund der Paketierung des Sende- und Empfangssignals,
die Zeit eingerechnet werden, bis alle Signalpakete für alle Frequenzen
ausgesandt worden sind und eine hinreichende Zahl von Signalpaketgruppen
für alle
Frequenzen verarbeitet wurden, so dass überhaupt annäherungsweise
von einer multi-frequenten Beschallung des Messvolumens geredet
werden kann. Der scheinbare Vorteil dieses Verfahrens erweist sich
gegenüber
dem des in Patent
EP
1 303 745 B1 beschriebenen folglich nur als ein bedingter
und relativer, da es durchaus sein kann, dass auch weiterhin Prozesse
existieren, deren Änderungsgeschwindigkeit
so groß ist,
dass selbst bei sehr kleinem T deren charakteristische Größen nicht bzw.
nicht für
jede Ultraschallwelle mit den verschiedenen Frequenzen ermittelt
bzw. nicht vollständig
erfasst werden können.
Auch in letzterem Fall müsste noch
ein erheblicher zusätzlicher
Aufwand mit Methoden aus der Signalverarbeitung im Nachhinein geleistet
werden, um aus den vorhandenen Daten signifikante Informationen
extrahieren zu können.
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Es
wird durch dieses Vorgehen zwar die empfangsseitige Situation etwas
verbessert, eine wesentliche Lösung
des oben beschriebenen systembedingten grundlegenden Problems kann
auch durch die Diskretisierung des kontinuierlichen Signals und
der zugehörigen
zeitlichen Aufteilung der Aussendung unterschiedlicher Frequenzen
prinzipiell nicht erreicht werden. Dies gilt insbesondere für die bereits
mehrfach erwähnten
rasch ablaufenden physikalisch-chemischen (respektive biologischen)
Prozessen in Fluiden. Die Vorrichtungen gemäß
EP 1 303 745 B1 und
DE 10 324 990 B3 weisen
einen immanenten nicht lösbaren
Widerspruch auf, wenn es darum geht, einerseits rasch ablaufende
physikalisch-chemische (bzw. biologische) Prozesse hinreichend gut,
bzw. möglichst
vollständig
hinsichtlich deren charakteristischer, möglicherweise frequenz-sensitiven
Parameter zu erfassen, andererseits hinsichtlich der zu untersuchenden
Messvolumina diese für alle
verwendeten Frequenzen in gleicher Weise mit den räumlich ausgeprägten frequenz-spezifischen Schallfeldern
zu „überdecken".
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Untersuchung
der charakteristischen Eigenschaften eines Mediums mit Ultraschall zu
schaffen, mit der eine umfassende, alle wesentlichen Parameter der
relevanten physikalisch-chemischen (bzw. biologischen) Änderungsprozesse,
die im untersuchten Medium stattfinden, erfassende Detektion in
kontinuierlicher Weise möglich
ist.
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Die
Aufgabe wird mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
Die Unteransprüche
geben vorteilhafte Weiterbildungen an.
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Die
vorliegende Erfindung löst
den oben erwähnten
Widerspruch der Vorrichtungen der
EP 1 303 745 B1 und
DE 10 324 990 B3 , indem
eine Ultraschall-Sendeeinheit mit ringförmiger Anordnung der Piezo-Elemente,
die konzentrisch um ein zentrales Element mit jeweils unterschiedlichen,
den einzelnen Ringen und dem zentralen Element zugeordneten Frequenzen
angeordnet sind, verwendet wird. Es wird somit parallel und gleichzeitig
eine multispektrale Beschallung (respektive im optischen Analogon „Ausleuchtung") des jeweiligen
Messvolumens des interessierenden Mediums mit Ultraschallwellen
verschiedener Frequenzen erzielt und hierbei eine gleichmäßige Überdeckung
des kompletten Messvolumens mit den jeweiligen Schallfeldern (bzw.
deren Fraunhofer-Zonen)
für die
verwendeten unterschiedlichen Frequenzen realisiert.
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Die
Hauptvorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung
betreffen die Möglichkeit
der Erfassung von raschen Änderungen
bei physikalischchemischen oder biologischen Prozessen im gesamten
der Untersuchung mit multi-frequentem Ultraschall zugänglichen
Messvolumen.
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Mit
der Auswerteeinrichtung kann die Korrelation der jeweiligen Empfangssignale
für verschiedene
Frequenzen bestimmbar sein und mit einer Referenz-Korrelation der
Empfangsignale für
jeweils dieselben verwendeten Frequenzen eines Referenz-Mediums
verglichen werden.
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Der
Korrelation der Empfangssignale, die von einem Korrelationsmodul
umgesetzt wird, kann ein Komparatormodul und ein Summator vorausgehen.
Mittels dieser Anordnung lassen sich sehr zuverlässige Aussagen über die
in dem betrachteten Medium ablaufenden Prozesse und über dessen
Eigenschaften treffen.
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Als
Parameter, dessen Korrelation bei den Empfangssignalen unterschiedlicher
Frequenz in erster Linie bestimmt wird, wird insbesondere die Phasenverschiebung
zwischen den Sende- und Empfangssignalkomponenten derselben Frequenz
in Frage kommen, wobei aber auch andere Parameter sich als geeignet
erweisen können,
was ggf. von den jeweiligen Prozessen, die in den betreffenden Medien
stattfinden, abhängig
ist. Vorteilhafterweise kann mit der Auswerteeinrichtung mindestens
die Phasenverschiebung zwischen den Sende- und Empfangssignalkomponenten
derselben Frequenz auswertbar gemacht und diese für die statistische
Analyse der Korrelationen zwischen den Empfangssignalbestandteilen
unterschiedlicher Frequenzen benutzt werden. Dadurch ist es im Vergleich
mit für
bestimmte Prozesse physikalischer oder chemischer Art charakteristischen
Korrelationen der multi-frequenten Ultraschall-Signalbestandteile,
die bereits bekannt sind, möglich,
einen für
diesen Prozess geeigneten statistischen Vergleich durchzuführen und
gegebenenfalls o.B.d.A. „kritische
Situationen" anzuzeigen oder über ein „Alarmsignal" kenntlich zu machen.
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Selbstverständlich ist
es auch möglich,
mit der Auswerteeinrichtung alternativ oder zusätzlich zur Phasenverschiebung
die Amplitudenänderung zwischen
den Sende- und Empfangssignalkomponenten derselben Frequenz auszuwerten.
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Die
Art der ringförmigen
Anordnung der Elemente der Wandler um ein gemeinsames Zentrum herum,
das gleichzeitige Senden aller Elemente und die gleichzeitige Erfassung
und Auswertung der durch das Untersuchungsmedium beeinflussten Signale
aller Frequenzen ermöglicht
dabei eine weitgehende Erfassung aller interessierenden Eigenschaften
des Untersuchungsmediums. Im Unterschied zu den Vorrichtungen gemäß
EP 1 303 745 B1 und
DE 10 324 990 B3 ist
es von erheblichem Vorteil, wenn die Elemente die Ultraschallsignale
kontinuierlich emittieren. Die kontinuierliche und gleichzeitig
multi-frequente Emission erlaubt eine umfassende Detektion auch
von raschen Änderungsprozessen
des untersuchten Mediums.
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Da
die für
den Empfang relevanten Fern-Schallfelder umso schmaler sind, je
höher die Frequenz
ist, ist es von Vorteil, wenn die äußeren Elemente des Wandlers
der Sendeeinheit Ultraschallsignale einer niedrigeren Frequenz emittieren als
das zentrale Element, um zuverlässige
Analysen durchführen
zu können.
Dabei kann das zentrale Element kreisförmig ausgebildet und das mindestens eine
weitere Element ringförmig ausgebildet
und konzentrisch zum zentralen Element angeordnet sein. Die Ringform
und die konzentrische Anordnung führen zu annähernd kegelförmigen Abstrahlcharakteristiken
der einzelnen Elemente.
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Die
besten Ergebnisse lassen sich erzielen, wenn der Durchmesser der
Elemente und die Breiten der ringförmigen Elemente sowie die Frequenzen
der von den einzelnen Elementen emittierten Ultraschallsignale derart
gewählt
sind, dass an der Empfangseinheit eine homogene Wellenfront der
Ultraschallsignale aller Elemente der Sendeeinheit entsteht.
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Prinzipiell
könnte
auch eine gleichzeitige Verwendung mehrerer räumlich getrennter Ultraschalleinheiten
mit jeweils unterschiedlichen Frequenzen erfolgen. Dies ist dann
vorteilhaft, wenn die zu untersuchenden physikalisch-chemischen
oder biologischen Prozesse mehrheitlich lokalisiert stattfinden.
Tatsächlich
sind aber die meisten Prozesse, die für eine derartige Untersuchung
von Interesse sind, nicht notwendigerweise lokal zu begrenzen und
weisen auch nicht an jedem Punkt des betrachteten Volumens die gleichen
charakteristischen Merkmale auf. Als Beispiel hierfür mag die
Biergärung
dienen, die vornehmlich am Rande des Gärungsbehälters beginnt und sich nach
innen fortsetzt. Es würde
also eine Verfälschung
und Missinterpretation der Daten stattfinden, wenn nicht alle mittels
multifrequentem Ultraschall detektierbaren durch das Medium hervorgerufenen
Signalveränderungen
berücksichtigt
würden,
die zur Charakterisierung des jeweiligen Prozesses und der betreffenden
Materialeigenschaften benötigt
werden. Diese Signalveränderungen
des Ultraschallsignals sind u. a. von der Verteilung der verschiedenen
Substanzen im Messvolumen abhängig sowie
von der Topologie bzw. Geometrie des zu untersuchenden Gebietes
im Messvolumen.
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Dies
bedeutet, dass bei der räumlichen
Trennung der Wandler Fehler auftreten, bedingt durch die Art der
Signalausbreitung im Messvolumen, die mit
- • der Geometrie/Topologie
des Messraumes,
- • der
Anordnung der Wandler,
- • deren
Frequenzen und damit deren räumlichen Abstrahlcharakteristiken
(i.e. Schallfelder)
verknüpft sind.
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Die
Ausbreitung der Ultraschallwellen kann hier zwar ebenfalls in kontinuierlicher
Weise erfolgen, aber jeder Wandler sendet dabei nur eine Welle aus, die
sich folglich mit den gleichen Wellen der anderen Wandler zumindest
teilweise überlagern
oder auslöschen
und schließlich,
abhängig
von der Geometrie des Messraumes, Reflexionen und Beugungen erfahren
können.
Daher ist es plausibel, dass auch nicht bei jeder Geometrie des
Messraumes alle ggf. interessierenden Gebiete gleichermaßen gut
erfasst werden können.
Eine „starre" Anordnung produziert naturgemäß Fehler
bei ggf. erforderlichen flexiblen Messsituationen, sowohl in räumlicher
als auch in zeitlicher Hinsicht. Dies bedeutet, dass problemabhängig die
Position der Wandler variiert werden müsste. Es ist einleuchtend,
dass dies wenig praktikabel ist und eine erhebliche Vorarbeit erforderlich sein
würde,
um eine für
ein interessierendes Gebiet geeignete Schallausleuchtung" jeweils immer neu
zu finden. Die Vorteile der Multifrequenz werden somit zunehmend
nur in eingeschränkter
Weise wirksam, je komplexer die Messaufgabe ist. Dies gilt auch
für den
Fall, dass beispielsweise adaptiv eine für die jeweilige Messsituation „geeignete" Frequenz mit der ihr
eigenen Abstrahlcharakteristik (bei sonst gleichem Aufbau der Wandler)
gewählt
wird.
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Wird
dagegen ein bestimmtes interessierendes Gebiet dreidimensional kontinuierlich
mit multispektralem Ultraschall (i.e. mehreren geeigneten) Frequenzen
derart beschallt, dass einerseits die Gesamt-Abstrahlcharakteristik zu jedem Zeitpunkt
konstant bleibt bei Verwendung einer Vielzahl von Frequenzen und
dass andererseits den Empfangswandler eine kohärente Wellenfront erreicht,
können
unterschiedliche Eigenschaften und Prozesse des zu untersuchenden
Mediums gleichmäßig gut
detektiert werden. Zudem können
die Parameter der Ultraschall-Sendeeinheit derart gewählt werden,
dass ein möglichst
großer
Bereich des resultierenden Schallfelds, insbesondere des Fernfelds,
in homogener Weise von allen verwendeten Ultraschallsignalen mit unterschiedlichen
Frequenzen überdeckt
wird.
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Mit
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist es möglich,
ein homogenes Fernfeld bei gleichzeitiger Verwendung verschiedener
geeigneter Frequenzen zu erzeugen, sodass an der Empfangseinheit eine
kohärente
Wellenfront auftrifft. Somit kann jeder Punkt im dreidimensionalen
Ausbreitungsraum der Ultraschallwellen (Fernfeld) von diesen mit
allen verwendeten Frequenzen erreicht werden.
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Wichtig
für die
erfindungsgemäße Vorrichtung
ist die Gewährleistung
einer im Fernfeld gleich bleibenden Gesamt-Abstrahlcharakteristik
bei der gleichzeitigen Verwendung mehrerer Frequenzen. Die Flexibilität der erfindungsgemäßen Vorrichtung lässt sich
dadurch erhöhen,
dass die Ultraschallsendeeinheit mehrere ringförmige Elemente aufweist, deren
Breite und/oder deren gegenseitiger Abstand variiert. Dies ermöglicht die
Verwendung anderer Frequenzen als bei einem Array mit gleichmäßig breiten
und gleichmäßig beabstandeten
Ringen, ohne das Erreichen des vorstehend beschriebenen Ziels zu
beeinträchtigen.
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Die
ringförmigen
Elemente können
auch mindestens teilweise in dicht benachbarte Einzelringe aufgeteilt
sein, die jeweils Ultraschallsignale geringer Frequenzdifferenz
emittieren. Mit einem solchen ringförmigen Element kann somit ein
ganzes Frequenzband abgedeckt werden. Bei Verwendung von derartigen
Frequenzbändern
ist man erfindungsgemäß in äußerst flexibler
Weise in der Lage, eine Vielzahl von Frequenzen gezielt zur Untersuchung von
sehr unterschiedlichen Medien einzusetzen, ohne die Nachteile in
Kauf nehmen zu müssen,
die durch den systembedingten Widerspruch bei den bekannten Vorrichtungen
gemäß
EP 1 303 745 B1 und
DE 10 324 990 B3 auftreten.
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Literatur:
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- 1. Björn
Angelsen: Ultrasound Imaging, Waves, Signals and Signal Processing,
Vol. I and Vol. II, insbesondere chapter 5, Norwegian University
of Science and Technology, Emantec, Trondheim, Norway, 2000
http://www.ultrasoundbook.com/main.htm
- 2. Kapila Kepasinghe: Simulation and Visualization of Ultrasound
Fields, University of Oslo, Department of Informatics, Norway, Cand
Scient Thesis, 1st August 1997
http://heim.ifi.uio.no/~ftp/publications/cand-scienttheses/KEpasinghe.pdf
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Nachfolgend
wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Vorrichtung und
deren Funktionsweise anhand der Zeichnung näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
Darstellung der Überlagerung von
Schallfeldern für
3 verschiedene Frequenzen für einen
Ultraschallwandler mit gleichem Durchmesser bei –6dB Dämpfung;
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2 eine
schematische Darstellung eines Ultraschallwandlers mit ringförmiger Anordnung
der Wandlerelemente;
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3 eine
Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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4:
eine Prinzipdarstellung der Funktionsweise der Korrelatoren der
Vorrichtung aus 3.
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1 illustriert
an einem Wandler mit einem kreisförmigen Element eines Durchmessers
von D = 10 mm, dass für
hohe Frequenzen kleine Öffnungswinkel
der Abstrahlcharakteristiken auftreten und für kleinere Frequenzen größere Öffnungswinkel.
Dies bedeutet, dass die resultierenden für den Empfang relevanten Fern-Schallfelder
umso schmäler
sind, je höher
die Frequenz ist. Die Simulation wurde mit einem Programm von der
Universität
Oslo durchgeführt
(siehe Literaturliste Nr. 2).
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In 1 sind
für den
kreisförmigen
Wandler mit Durchmesser 10mm für
drei verschiedene Frequenzen f_1 = 5,2 MHz, f_2 = 2,1 MHz und f_3
= 1,1 MHz die jeweilige Schallfeld-Konturen für –6db angegeben, wobei die x-Achse
senkrecht zum Wandler und die y-Achse radial zum Wandler verläuft. Man
erkennt deutlich, dass sich das Schallfeld für höhere Frequenzen immer stärker „einengt". Die überlagerte Gesamtabstrahlcharakteristik
für die
drei Frequenzen ist nicht homogen.
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Für die Ermittlung
der Schallfelder wurde zugrunde gelegt, dass keine Fokussierung
erfolgt.
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2 zeigt
in schematischer Form den Aufbau eines Wandlers 30 einer
Ultraschallsendeeinheit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Der Wandler 30 weist
drei Piezo-Elemente 31, 32, und 33 auf.
Das innerste, zentrale Element 31 ist kreisförmig und
mit der geringsten Dicke d der drei Elemente 31 bis 33 ausgebildet.
Die beiden anderen Elemente 32, 33 sind ringförmig um
das Zentralelement 31 angeordnet und weisen eine zunehmend
größere Dicke
d als das Zentralelement auf, je weiter außen sie liegen. Das Zentralelement 31 emittiert
Schallwellen mit der höchsten
Frequenz, das Element 32 mit einer mittleren Frequenz und
das Element 33 mit der niedrigsten Frequenz. Im dargestellten
Beispiel ist die Ringbreite w der beiden ringförmigen Elemente 32 und 33 nicht gleich
groß.
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In 3 ist
ein schematisches Blockschaltbild eines möglichen Aufbaus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
dargestellt. Das Zusammenspiel der durch die ringförmige Anordnung
der Wandlerelemente in der Ultraschallsendeeinheit 15 mit
jeweils geeigneten zugehörigen
Frequenzen und der nachfolgenden Auswertungseinheit 16,
bestehend aus den nacheinander die empfangenen Ultraschallsignale
verarbeitenden „Schichten" aus i Komparatoren 7,
i Summatoren 8 und j Korrelatoren 9 sowie i rückgekoppelter,
als „Stellglied" dienender Verzögerungseinheiten 5,
welche mit dem jeweils zugeordneten Komparator 7 verbunden
sind, wird beispielhaft in 3 für eine Frequenz,
diese o.B.d.A. aus 3 Frequenzen senderseitig ausgewählt, dargestellt,
wobei aus Gründen
der Übersichtlichkeit
und Verständlichkeit
nicht alle Komparatoren 7, Summatoren 8 und Korrelatoren 9 sowie
Verzögerungsglieder 5 samt
deren Verbindungen auf der Auswertungsseite aufgeführt sind.
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Über i Signalgeneratoren 1 werden
die jeweiligen Ultraschallwellenfronten 3 mit Frequenzen
f_i über
die i ringförmigen
(darunter ein kreisförmiges Zentralelement)
Ultraschallwandlerelemente 2 erzeugt und in das Medium 4 ausgesandt.
Auf der Empfangsseite nehmen entsprechende Empfangseinheiten 6 für die jeweiligen
Frequenzen f_i die durch das Medium propagierten Ultraschallwellen
auf und geben die Signale an einen Komparator 7 für die jeweilige
Frequenz f_i weiter. Dort wird über
einen weiteren Eingang das Originalsignal, welches über das
Verzögerungsglied 5 geleitet
wurde, eingespeist. Zu Beginn der Messung kann eine Kalibrierung über die
Rückführung einer
eventuellen Phasenverschiebung zum Verzögerungsglied 5 geleistet
werden, ist aber nicht zwingend erforderlich. Die Information über eine
anfängliche
Phasenverschiebung kann bereits zur Generierung eines eventuell
erforderlichen Alarmsignals. 13 genutzt werden. Alle weiteren
Phasenverschiebungen sind auf Veränderungen des Signals im Medium
rückführbar. Diese
Phasenveränderungen
werden in den Summatoren 8 aufsummiert und den Korrelatoren 9 zur
weiteren Auswertung zugeführt.
Die ermittelten Resultate werden nachfolgend einer statistischen
Analyse 10 unterzogen, deren Ergebnisse über ein
Display 12 zur Darstellung gebracht werden, ebenso wie
der Signalverlauf vor der Korrelationsanalyse auf einem separaten
Display 11. Gleichzeitig können die Ergebnisse der statistischen
Analyse neben dem Monitoring der interessierenden physikalischchemischen
Prozesse dazu genutzt werden, gegebenenfalls einen Alarm 13 auszulösen, falls
ein kritischer Schwellwert erreicht wurde.
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In 4 ist
ein Referenzmuster dargestellt, bestehend aus je 49 Messwerten für drei Zeitreihen von
Messwerten (o.B.d.A. Phasenverschiebungen), entsprechend drei verwendeten
Frequenzen. Dieses wird auf Gemeinsamkeiten untersucht (korreliert)
mit 49 Messwerten in einem Zeitfenster (gleicher Länge), welches
durch die drei den o.g. Frequenzen entsprechenden Zeitreihen geführt und
hierbei auf „Ähnlichkeit" mit dem Referenzmuster überprüft wird.
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Die
Funktionsweise der Korrelatoren 9 in der erfindungsgemäßen Vorrichtung
gemäß 3 besteht
somit darin, die in den Summatoren 8 (im eigentlichen Sinne
Integratoren) akkumulierten Messwerte (o.B.d.A. vornehmlich Phasenverschiebungswerte)
mit einem bekannten Mess-Referenzmuster für ein gleichartiges
oder ähnliches
Medium zu vergleichen. Dieser Vergleich wird erfindungsgemäß kontinuierlich
für die
aktuelle Messung (bzw. deren Zeitreihen) vorgenommen. Hierzu wird
ein beliebig großes „Zeitfenster" (o.B.d.A. von der
Länge des
Referenzmusters) durch die aktuelle Zeitreihen der Messwerte für mehrere
verschiedene Frequenzen geführt
und die jeweiligen in dem Zeitfenster enthaltenen Messwerte mit
dem bekannten Referenzmuster von Messwerten (für die gleichen Frequenzen)
für ein
bekanntes Prozessstadium eines interessierenden bekannten Mediums
verglichen. Die Korrelatoren 9 machen somit insbesondere
dann Sinn, wenn Ultraschallwellen von einem Sender mit verschiedenen
Frequenzen gleichzeitig durch ein Medium gesandt werden.
-
Unter
dieser Voraussetzung wird durch den Einsatz der Korrelatoren
9 erfindungsgemäß im Unterschied
zu den bekannten Vorrichtungen die Erfassung der charakteristischen
Eigenschaften auch schnell ablaufender Prozesse möglich. Zwar
sind Korrelationen zwischen Messwerten für unterschiedliche Frequenzen
auch bei der
DE 10
324 990 B3 theoretisch möglich, dies aber nur im Nachhinein,
wenn bereits eine entsprechend große Zahl von Messdurchläufen erfolgt
ist und die diskretisierten „zerhackten" Zeitreihen wieder
zusammengesetzt worden sind. Die bereits erwähnten prinzipiellen Probleme
bei der Verwendung der bekannten Vorrichtungen schlagen sich dort
auch bei einer eventuellen Korrelationsanalyse nieder. Bereits prinzipiell
durch die Diskretisierung der Ultraschallsignale in „Paketen" aber insbesondere
bei wachsender Anzahl der verwendeten Frequenzen wird der zeitliche
Verzug zwischen den im Nachhinein auf Korrelation zu untersuchenden
Messwerten zu groß und
die Ergebnisse dieser Untersuchung können dann nicht mehr relevant
sein, da gegebenenfalls wichtige, für die Beurteilung der rasch
ablaufenden physikalisch-chemische und biologische Prozesse notwendige
Informationen aufgrund des zeitlichen Verzugs nicht (mehr) gewonnen
werden konnten. Wenn das Ziel darin besteht, mit Hilfe einer multifrequenten
Beschallung eines Mediums relevante Informationen über dieses
zu gewinnen, dann wird in der bekannten Vorrichtung die Erreichung
dieses Ziels gerade dadurch untergraben, wenn viele Frequenzen verwendet
werden. Da die erforderliche Korrelation der unterschiedlichen Messungen
bei wachsender Zahl der Frequenzen und der hieraus folgenden immer
größeren zeitlichen Verzögerung (delays)
von deren Auswertung zwangsläufig
immer schwieriger wird, sind in der Praxis solche Auswertungen für eine umfassende
quantitative und qualitative Beurteilung derartiger Prozesse nicht
sehr aussagekräftig.
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Mit
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist es dagegen möglich,
die Korrelation einer nur durch die Länge des Referenzmuster-Zeitfensters
beschränkten
Zeitreihe für
Messwerte von Ultraschallwellen für verschiedene Frequenzen sehr
zeitnah vorzunehmen, indem ein Vergleich der aktuellen Messzeitreihe
mit einer bekannten Messzeitreihe für mehrere Frequenzen nahezu
zeitgleich durchgeführt wird,
da die Ultraschallwellen gleichzeitig ausgesandt und nahezu parallel
ausgewertet werden.
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Dem
Vergleich und der Korrelation zwischen den gemessenen Zeitreihen
und dem bekannten Referenzmuster liegt ein geeignetes Abstandsmaß („Fehlermaß") zugrunde, welches
in den allermeisten Fällen über das
LMS-Verfahren („least
mean squares” – Methode
der kleinsten Quadrate) bereitgestellt wird. O.B.d.A. sind ggf.
verschiedene Abstandsmetriken für
unterschiedliche Prozesse geeignet, wie z.B. die (gewichteten) Minkowski-Metrik(en) der Mahalanobis-Abstand
oder auch z.B. nichtlineare, funktionale Abstandsdefinitionen wie
die Fréchet-Metrik.
Die Korrelatoren sind in der Lage, derartige unterschiedliche Abstandsmaße entsprechend den
jeweils interessierenden Prozessen in verschiedenen Medien geeignet
für den
Vergleichvorgang der im aktuellen Zeitfenster befindlichen Messwerte
mit denjenigen im Referenzmuster einzusetzen. Hierbei werden z.B.
bei einer Untersuchung von Festkörpern mittels
multi-frequentem Ultraschall auf das Vorhandensein von Gaseinschlüssen ggf.
andere Abstandsmaße
sinnvoll sein, als bei der Untersuchung, welche Gase in bestimmten
Flüssigkeiten
gelöst
sind.
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Prinzipiell
wird also mit der beschriebenen Vorrichtung die Funktion erfüllt, die
Information, die aus dem gleichzeitigen Durchlaufen mehrerer Ultraschallwellen
mit verschiedenen Frequenzen in einem unbekannten Medium gewonnen
wird (z.B. Phasenverschiebungswerte), dazu zu nutzen, um nahezu zeitgleich
(mindestens sehr zeitnah) eine qualitative (und ggf. quantitative)
Zustandsbeurteilung des Mediums, respektive der charakteristischen
Parameter von ggf. rasch ablaufenden Prozessen in diesem Medium,
für das
gesamte Messvolumen in gleichmäßig-homogener
Weise vorzunehmen. Diese Zustandsbeurteilung kann in der Folge dazu
dienen, festzustellen, ob ein bestimmter physikalisch-chemischer
Prozess stattgefunden hat, z.B. eine Degradation isolierenden Öls in elektrischen
Anlagen nach bestimmten Kriterien (z.B. Gasgehalt, Säure, Wasser,
andere Zerfallsprodukte wie z.B. Polymerisierungen oder Furane.
Diese Zustandsbeurteilung kann für
eine langfristige umfassende Beobachtung der interessierenden Prozesse
in verschiedenen Medien mit hoher zeitlicher Auflösung und
hohem Parallelisierungsgrad der Messungen genutzt werden. Hierdurch
kann z.B. anhand der zugehörigen
Phasenverschiebungen bei Verwendung mehrerer Frequenzen entschieden
werden, ob ein Prozess, der o.B.d.A. in einem flüssigen Medium stattfindet,
z.B. einen erlaubten Temperaturbereich verlässt oder nicht und es kann
daraufhin gegebenenfalls eine Meldung an eine Leitwarte erfolgen.
Hierbei kann es sinnvoll sein, den Prozess anhand einer „Leitlinie" zu beobachten, die in
einem „Band" liegt, dessen Parameter,
z.B. eine zeitabhängig-veränderliche „Breite", durch die Ergebnisse
der Korrelatoren bzw. einer nachfolgenden weiterführenden
statistischen Analyse, z.B. mit multivariaten Verfahren, bestimmt
werden.
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Es
kann andererseits aber auch sehr zeitnah entschieden werden, ob
aktuell zum gerade stattfindenden Messzeitpunkt aufgrund des durch
die Korrelatoren ermittelten momentanen Zustands des interessierenden
Prozesses im betreffenden Medium ein Alarmsignal hinsichtlich z.B.
der weiteren „Funktionstüchtigkeit" von zugeordneten
technischen Anlagen gegeben werden muss. Ursachen können hier
z.B. in isolierendem Öl
spontane elektrische Entladungen sein, die zu rapiden Steigerungen
von als Indikatoren für
einen „Problemfall" geltenden Stoffkonzentrationen
oder deren Folgen für
die Isolationsfähigkeit
des Öls
gelten. Diese Flexibilität
hinsichtlich der sehr unterschiedlichen zeitlichen Skalenbereiche
für komplexe
Messaufgaben ist erst durch die erfindungsgemäße Vorrichtung wie beschrieben
gegeben.