DK161789B - Fremgangsmaade og apparat til ultrasonisk overvaagning og maaling af fysisk-kemiske, biologiske eller bakteriologiske faenomeners tidsforloeb - Google Patents

Description

DK 161789 B

Opfindelsen omhandler en fremgangsmåde og et apparat til ultrasonisk overvågning og måling af tidsforløbet af visse fysiske og/eller kemiske egenskaber i et medium under udvikling eller mellem to medier. US patent nr. 4 327 587 5 omhandler en sådan fremgangsmåde og et sådant apparat.

Opfindelsen finder især anvendelse ved undersøgelse af hærdningstiden af et vandholdigt bindemiddel, tørringstiden for en malervare eller en limart, ændringer af til-10 standsform fra fast til flydende eller omvendt, en kontaktflades fysisk-kemiske ændring ved oxidering eller koldhærdning, udkrystallisering af et legeme i en opløsning eller bundfældning af et opslæmmet legeme, bestemmelse af blods koaguleringstid og/eller bundfældning samt 15 analyse af mælks sammenløben.

Fra GB patent nr. 2 060 883 kendes en isslagsdetektor, hvor der sendes impulser med ultralydfrekvens til en vikling omkring en barre, der er forbundet med en stang, der 20 strækker sig gennem en rille udhugget i en vejoverflade. Barrens materiale frembyder en magnetostriktionsvirkning ved påvirkning af det i viklingen frembragte magnetfelt.

Herved dannes der vibrationer med ultralydfrekvens, der overføres i stangen og tilbagekastes på dennes vægge. Re-25 fleksionen er forskellig, når stangen er i berøring med vand eller med is. Omvendt vil som følge af magnetostrik-tion de tilbagekastede vibrationer bevirke, at barren i viklingen inducerer impulser, der opfanges, og ud fra hvilke man udleder, om stangen er omgivet af vand eller 30 is. Udnyttelsen af magnetostriktionen er væsentlig for dette apparat.

Fra US patent nr. 4 320 659 kendes et apparat til måling af den akustiske impedans af et miljø eller til detekte-35 ring af en væskestand. Her udsendes en tværgående, lodret polariseret ultralydbølge i en barre med en indfaldsvinkel ud fra en sideflade eller en hældende endeflade såle-

DK 161789 B

2 des, at bølgen forplanter sig i en siksakbevægelse ved på hinanden følgende tilbagekastninger. Den på et fjerntliggende sted opfangne bølge er forskellig som følge af den opståede kobling imellem barren og det miljø, i hvilket 5 den er neddykket. I en ændret udførelsesform sendes den polariserede tværgående bølge i barren gennem en yderflade, men ultralydbundtet underkastes tilbagekastninger, j der forplanter sig parallelt med barrens akse. Desuden har barren en sideflade, der frembyder en langsgående 10 række tænder, der virker som tilbagekastningsflader. De opfangne tilbagekastninger er forskellige alt efter arten eller niveauet af det miljø, med hvilket barren er i berøring. Anvendelsen af polariserede tværgående bølger er væsentlig for dette apparat.

15

Det er også kendt at anvende ultralyd til måling af tykkelse eller længde af legemer eller til lokalisering og bedømmelse af fejl (blærer, revner, spalter). Aflæsningen finder sted umiddelbart efter det ekko, der opnås ved 20 tilbagekastningen af de i længderetningen udsendte bølger. De sekundære ekkoer er her generende, fordi aflæsningen kun finder sted for de primære ekkoer af de parallelt med aksen udsendte langsgående bølger.

25 I alle disse kendte udførelsesformer anvendes ultralyd med et begrænset formål (detektering af isslag, detektering af fejl, måling af en afstand, detektering af en væskehøjde osv.) under særskilte driftsforhold (detektering alene af direkte ekkoer, bevidst frembringelse af 30 lodret eller vandret polariserede bølger, anvendelse af bølger i siksak-form, anvendelse af tilbagekastningsoverflader på bestemte steder osv.).

Opfindelsen har til formål at tilvejebringe en fremgangs-35 måde til overvågning og til måling af udviklingsforløbet i tid for forskellige fænomener i et miljø eller imellem to miljøer. Dette opnås ifølge opfindelsen ved en frem-

DK 161789 B

3 gangsmåde, der er ejendommelig ved de i krav l's kendetegnende del angivne arbejdstrin.

Ifølge opfindelsen opnås et optimalt resultat, når man 5 overholder et bestemt forhold imellem frekvensen og godstykkelsen (fortrinsvis diameteren) af den anvendte barre.

Med eksempelvis følgende frekvenser: 2, 5, 10, »15, 20 MHz, er det fordelagtigt at anvende cylinderformede barrer med følgende tilsvarende diameter: 30, 20, 15, 10, 8 10 mm.

Disse værdier for frekvenser og diametre er dog ikke kritiske, men de udgør værdier, som er hensigtsmæssige at anvende for at opnå de bedste resultater.

15

Fortrinsvis vælger man også sekundære ekkoer at størrelsesordenen 1-4 for målingen af det analyserede miljøs udviklingsforløb .

20 Opfindelsen omfatter også et apparat til udøvelse af fremgangsmåden og af den i krav 7' s indledning angivne art, hvilket apparat er ejendommeligt ved den i krav 7's kendetegnende del angivne opbygning.

25 Under hensyn til, at barren skal kunne neddykkes i meget forskellige miljøer, undertiden gennem lange tidsrum, bør man fortrinsvis anvende et korrosionsbestandigt materiale for barren.

30 Ifølge opfindelsen består barren hensigtsmæssigt af en stang af trukket glas, og barren forbindes hensigtsmæssigt til en ultralydgenerator på aftagelig måde, ved afmontering eller afbrækning.

35 Opfindelsen forklares nærmere nedenfor i forbindelse med tegningen, hvor:

DK 161789 B

4 fig. 1 er en skematisk afbildning af et apparat ifølge opfindelsen til udøvelse af fremgangsmåden ifølge opfindelsen, 5 fig. 2 er et reflektogram, fig. 3 er en skematisk afbildning af dannelsen af et se- j kundært ekko i barren i apparatet på fig. 1, 10 fig. 4a og 4b er skematiske afbildninger af sekundære ekkoer for ultralydstrålebundter i det indre af en barre, der først er neddykket i luft og derefter neddykket i et forskelligt miljø, 15 fig. 5-11 er grafer, der viser udviklingsforløbet for forskellige miljøer som registreret med apparatet på fig.

1, fig. 12 viser et beregningseksempel for det vendepunkt, 20 der karakteriserer tilstandsændringen af et miljø, ud fra grafen på.·fig. 6, og fig,. 13 og 14 viser to længdesnit gennem en sonde med en barre, der er aftagelig ved afmontering eller afbrækning, 25 til apparatet på fig. 1.

Som vist på fig. 1 omfatter apparatet ifølge opfindelsen en generator 1 for lydimpulser med en frekvens på 15 MHz, der fer forbundet med en sonde i form af et keramisk sen-30 der/modtager-hoved 2 og en langstrakt barre 3, som er neddykket i et til analyse værende medium eller miljø 4.

Sonden beskrives nærmere nedenfor. Generatoren 1 sender elektriske impulser til det keramiske legeme, almindeligt kaldet transor, der udsender langsgående ultralydbølger, 35 der forplanter sig i barren 3 ud fra en af dennes overflader 3A. Transorens tværsnitsprofil er omtrent det samme som profilet af barren 3, der udgør sæde for en kraf-

DK 161789 B

5 tig ultralydaktivitet som følge af de ekkoer, der fremkaldes ved tilbagekastningen af bølgerne dels fra den endeflade, der ligger modsat senderfladen, og dels og især fra helheden af barrens sideflader. Generatoren 1 og det 5 keramiske hoved 2 er forbundet med et konventionelt organ 5 med et oscilloskop 5a med en ekkoselektor, der selv er forbundet med et registreringsapparat 6, eksempelvis et X-Y plotterbord, der kan registrere variationen af højden af et udvalgt sekundært ekko stammende fra de sekundære 10 bølger (S på fig. 3) som funktion af tiden.

Fig. 2 viser et reflektogram, som det optræder på oscilloskopet i organet 5.

15 På reflektogrammet, der som ordinat viser amplituden af signalerne og som af abscisse viser tiden, ses ved E en senderspids og ved F1-F6... en række ekkoer. F1 er det primære direkte ekko som opnået ved tilbagekastningen af ultralydimpulserne i langsgående bølger (L på fig. 3) fra 20 den endeflade af barren 3, der vender modsat den sendende endeflade efter en simpel vandring frem og tilbage.

Spidserne F2-F6... er sekundære ekkoer, der vender tilbage til transoren igennem den sendende endeflade 3Ά efter 25 hældende vandringsbaner og forskellige tilbagekastninger fra barrens sideflade. Der dannes således i det indre af barren sekundære bølgebundter, i hvilke der blander sig bølger af forskellig type, langsgående bølger og tværgående bølger, som har en mindre forplantningshastighed end 30 de langsgående bølger.

Fig. 3 viser en direkte vandringsbane for langsgående bølger L og en vandringsbane S for en sekundær bølge, som leverer det på fig. 2 afbildede ekko F3. Det med kort- 35 streglinier viste parti af vandringsbanen S sker som tværgående bølger efter en tilbagekastning fra sidefladen og en omdannelse til langsgående bølger i punktet R.

DK 161789 B

6

Fig. 4a viser skematisk de i det indre af barren 3 tilba-gekastende strålebundter, når barren er neddykket i et miljø såsom luft. Fig. 4a* viser angivelsen på oscilloskopet 5a af ekkoer a, b, c og d, der stammer fra barrens 5 sideflader og bund. Kun de fire første ekkoer er her vist, nemlig det direkte ekko a og de tre første sekundære ekkoer b, c og d. j Når barren 3 er neddykket i et forskelligt miljø, inde-10 holdende en væske eller i almindelighed en tilstandsform, der tilvejebringer en bedre transmissionskontakt med sidefladen af barren, undslipper en brøkdel af ultralydbølgerne i miljøet (fig. 4b). På fig. 4b' vises aftageisen af højden af ekkoerne a, b, c og d. De sekundære ekkoer 15 b, c og d i helheden har talrige på hinanden følgende tilbagekastninger fra sidefladen af barren 3 og er derfor meget stærkt påvirkede ved denne ændring. Målingen af hiøj den af en eller flere af disse sekundære ekkoer muliggør at følge udviklingsforløbet af miljøet eller af en 20 grænseflade som funktion af tiden. Hensigtsmæssigt fremmes dannelsen af disse sekundære ekkoer ved at anvende en barre 3 med et forhold mellem længde og diameter, der er større end 3.

25 Naturligvis skal sidefladen af barren 3 være så reflekterende som muligt og beholde sin overfladetilstand i det tidsrum, i hvilket den er neddykket i et miljø under udvikling. Af denne grund er en barre af trukket glas velegnet .

30

Man fremmer også dannelsen af de sekundære ekkoer ved at overholde det ovennævnte forhold imellem frekvensen af ultralydbølgerne og godstykkelsen af barren 3. Jo højere frekvens, desto mindre vinkel ved toppen af senderkeglen 35 og desto mindre godstykkelse af barren, for at dens sideflade skal træffes hyppigere af de tilbagekastede bølger. Det forstås, at der her ved sidefladen skal for- 7

DK 161789 B

stås det samlede sidefladeareal af barren langs hele dennes tværsnitsprofil, uanset dens geometriske form.

Fig. 13 og 14 viser en sonde i apparatet ifølge opfindel-5 sen og omfattende hovedet 2, ud fra hvilket den langstrakte barre 3 af trukket glas med en glat overflade strækker sig, hvilken sonde er af konventionel art. Hovedet 2 omfatter et legeme 7, fortrinsvis i to samlede dele, hult og lukket ved den ene ende og åbent ved den mod-10 satte ende til optagelse af et endeparti af barren 3, der afsluttes med den vinkelret på længderetningen stående endeflade 3A. I legemet 7 er der anbragt et keramisk sender /modtager- legeme 8 af konventionel type, piezoelek-trisk eller ferroelektrisk, ud fra eksempelvis bariumti-15 tanat. På fig. 13 er det keramiske legeme 8 koblet til barren 3 ved en direkte kontakt med dennes endeflade 3A.

Den ende af legemet 7, der optager endepartiet af barren 3, er opspaltet i længderetningen og indklemt på barren 3 ved hjælp af en ring 9. På fig. 14 er barren 3 indpresset 20 i legemet 7, men dette frembyder ved den yderflade, der ligger bag ved barrens endeflade 3A, et cirkulært indsnit 10, beregnet til afbrækning. Koblingen mellem det keramiske legeme 8 og barrens yderflade 3A sker her gennem en væske 11. I de to tilfælde kan barren 3 afmonteres fra 25 hovedet 2 og kan efterlades i et analyseret miljø, eksempelvis i en betonmasse, hvis hærdningstid er overvåget.

Når barren bringes i berøring gennem sin glatte sideflade med et miljø under udvikling, i hvilket der fremkaldes 30 fysisk-kemiske eller biologiske ændringer, der medfører en tilsvarende variation af den brøkdel af de ikke-langs-gående bølger, der undslipper fra barren, kan man, som nævnt ovenfor, overvåge og måle disse ændringer ved at iagttage amplituden af de sekundære ekkoer.

For at opnå en større følsomhed af apparatet skal barren 3 fortrinsvis være neddykket i det overvågede miljø langs 35 8

DK 1617 8 9 B

næsten hele sin længde, men under visse omstændigheder er det tilstrækkeligt, at barrens sideflade sættes i en passende berøring med det overvågede miljø.

5 Fig. 5-11 viser udviklingsforløbet som funktion af tiden (angivet i sekunder langs abscisseaksen) af amplituden (angivet i volt langs ordinataksen) for et udvalgt sekundært ekko, der er registreret ved hjælp af organerne 5 og 6 på fig. 1. Det ses, at for de fleste undersøgte mate-10 rialer antager en del af den kurve, der svarer til tilstandsændringen som målt ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen, til en kurve af tredje grad. Ændringen af miljøets tilstandsform (væske-faststof) eller af grænsefladen (ikke-oxideret - oxideret) frembyder en korrelation med 15 kurvens vendepunkt, hvilket vendepunkt kan bestemmes grafisk eller ved beregning.

Fig. 5 viser forløbet for amplituden af det første sekundære ekko (b på fig. 4b') og viser hærdnings forløbet far 20 brændt gips, der udviser et masseforhold mellem gips og vand på 1,5. Vendepunktet indfinder sig efter forløbet af 35,5 min. Ved dette og de følgende forsøg havde barren 3 af trukket glas en diameter på 20 mm og en længde på 100 mm, og generator/transorenheden leverede ultralydbølger 25 med en frekvens på 10 MHz.

Fig. 6 viser hærdningsforløbet for et kendt materiale i form af en blanding af fint pulver og et polymer i seret formstof under påvirkning af en hærder, der handelsføres 30 under navnet "Metolux", med et forhold mellem hærder og formstof på 1. Vendepunktet indtræffer ved ca. 37 min.

(2.220 s).

;

Fig. 7 viser hærdningsforløbet for et materiale, der han-35 delsføres under navnet "hurtig araldit" med et masseforhold mellem hærder og formstof på 0,6. Vendepunktet indfinder sig ved ca. 14,6 min.

9

DK 161789 B

Fig. 8 viser tørringen af en maling, opløst i vand. Efter et oprindeligt tidsrum på ca. 400 s antager kurven form af en eksponentialfunktion med en periode på 360 s.

5 Fig. 9 viser sammenløbet af mælk, til hvilken der er tilføjet 2 g løbestof pr. liter. I dette tilfælde er målingen foretaget for det andet sekundære ekko (c på fig.

4b' ).

10 Fig. 10 viser korrosionsforløbet for en barre af en aluminiumlegering, der handelsføres under navnet "Dural", og som er neddykket i en natronlud på 41 g pr. liter. Målingen er foretaget ved at følge udviklingen af det første sekundære ekko b.

15

Fig. 11 viser polymerisationsforløbet for et polymeriser-bart formstof, der handelsføres under navnet "Mécaprex". Målingen er foretaget ved at registrere det første sekundære ekko. På fig. 11 er tiden angivet i minutter og 20 spændingen med 2 mV/grad. Vendepunktet indfinder sig efter 24 min.

Fig. 12 viser den matematiske beregning af et vendepunkt, der karakteriserer hærdningsforløbet for det samme pro-25 dukt som nævnt for fig. 6. Beregningen er sket ved tilnærmelse til en polynomium af tredje grad ifølge de mindste kvadraters metode. Abscissen for vendepunktet er 2223 s, og hældningen i dette punkt er: - 0,154. 1 35

Claims (8)

1. Fremgangsmåde til overvågning og måling, af tidsforlø- ! 5 bet af fysisk-kemiske, biologiske eller bakteriologiske fænomener i et miljø eller mellem to miljøer, kendetegnet ved, at man sætter det eller disse miljøer i berøring med mindst en del af sidefladen på en langstrakt barre, i hvilken man fra en sehderflade udsender langsgå-10 ende ultralydbølger således, at der i barren frembringes sekundære bølgebundter, der tilbagekastes fra hele barrens sxdefladeareal, at de sekundære ekkoer opfanges, at mindst ét af ekkoerne isoleres, og at man måler og registrerer ekkoets amplitude som funktion af tiden til heraf 15 at udlede udviklingsforløbet af det overvågede fænomen.

2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at barren neddykkes i miljøet eller miljøerne langs en væsentlig del af barresidefladens længde. 20 3v Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at der som senderflade anvendes en endeflade på barren stående vinkelret på barrens længderetning.

4. Fremgangsmåde ifølge krav 3, kendetegnet ved, at de sekundære bølger opfanges ved selve den sendende endeflade på barren. 5. ‘Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet 30 ved, at der anvendes en barre med en glat sideflade, fortrinsvis af trukket glas.

6. Fremgangsmåde, ifølge krav 1, kendetegnet ved, at der anvendes en langstrakt barre med en godstyk- 35 kelse på mellem 8 mm og 30 mm, samt at der vælges en tilsvarende ultralydfrekvens i området mellem 20 og 1 MHz. DK 161789 B

7. Apparat til overvågning og måling af udviklingsforløbet som funktion af tiden for fysisk-kemiske, biologiske eller bakteriologiske fænomener i et miljø eller imellem to miljøer og omfattende en impulsgenerator (1), en sonde 5 med et hoved (2) med et sender/modtager-organ (8) for ultralyd og koblet til en langstrakt barre (3) samt et måleorgan (5) for de fra organet (8) udsendte og modtagne ultralydbølger, kendetegnet ved, at barren (3) er koblet til organet (8) ved en yderflade (3A), der står 10 vinkelret på barrens længderetning, at barren (3) har en glat sideflade, og at måleorganet (5) omfatter elektroniske organer til udvælgelse af et af de af organet (8) modtagne sekundære ekkoer (F2-F6) og et organ (6) til registrering af det valgte ekkos amplitude som funktion af 15 tiden.

8. Apparat ifølge krav 7, kendetegnet ved, at barren (3) har en sideflade, hvis længde overstiger mindst tre gange barrens tykkelse. 20

9. Apparat ifølge krav 7, kendetegnet ved, at barren (3) består af et materiale med et forhold mellem forplantningshastigheden for de langsgående bølger og forplantningshastigheden for de tværgående bølger belig- 25 gende imellem 1,57 og 1,70, fortrinsvis lig med ca. 1,65.

10. Apparat ifølge krav 7, kendetegnet ved, at barren (3) er forbundet aftageligt med hovedet (2) således, at den kan afmonteres eller afbrækkes. 30 35