EP1802965A1 - Ultraschallverfahren zur bestimmung von kennwerten und/oder der homogenität einer offenporigen materialschicht - Google Patents

Ultraschallverfahren zur bestimmung von kennwerten und/oder der homogenität einer offenporigen materialschicht

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EP1802965A1
EP1802965A1 EP05803969A EP05803969A EP1802965A1 EP 1802965 A1 EP1802965 A1 EP 1802965A1 EP 05803969 A EP05803969 A EP 05803969A EP 05803969 A EP05803969 A EP 05803969A EP 1802965 A1 EP1802965 A1 EP 1802965A1
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EP
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material layer
ultrasound
ultrasonic
transmitter
homogeneity
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Withdrawn
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EP05803969A
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Manfred Pinnow
Hans-Peter Fink
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Definitions

  • the present invention relates to a method 5 for determining characteristic values and / or the homogeneity of an open-pored material layer, in particular a fiber mat, using ultrasound pulses.
  • an open-pored material layer is to be understood as meaning a layer of solid-state material which is permeated by air-filled or gas-filled intermediate spaces, for example a loose material layer composed of individual fibers and / or particles.
  • a preferred application of the method is to determine the homogeneity of the fiber distribution in fiber mats (nonwovens).
  • the properties of fiber mats depend very much on the basis weight, i. H. the total mass of fibers per unit area of the fiber mat, from.
  • the use of the fiber mats is therefore the homogeneity of the basis weight, d. H. the uniform distribution of the fibers across the surface. Inhomogeneities of the fiber distribution lead to the formation of areas with low basis weight, which are weak points of the nonwoven properties. For example, such areas with a low basis weight affect the mechanical strength and the extensibility of the fiber mats. The weak points can lead to failure of the fiber mats in this area under appropriate load.
  • the basis weight is determined according to DIN EN 29073-1: 1992-08 at surface sections> 500 cm 2 by weighing.
  • the basis weight is generally determined following the production process as an average of the quotient of the weight and the total area of a fiber mat. Inhomogeneities are averaged in this type of determination depending on the size of the test area. This method is discontinuous, it merely represents an exemplary determination of the basis weight and also results in the destruction of the fiber mats. It is therefore not suitable for on-line quality control in the manufacture or use of fiber mats.
  • the homogeneity of the fiber distribution of the Faser ⁇ mats can also be detected by a thickness control.
  • the thickness of the fiber mats is determined according to DIN EN ISO 9073-2: 1997-02 and can be measured by placing a measuring plate in conjunction with a position transducer.
  • DIN which, as well as the first-mentioned DIN, for example, the book "nonwovens" by W. Albrecht, H. Fuchs and W. Kittelmann, Wiley -VCH Verlag GmbH, Winheim (Germany, 2000) can be found, the Test pressure and the test area in
  • the measuring plate Since the measuring plate must be placed on the fiber mat, this method is not suitable to detect the fiber distribution continuously in the course of web production in the nonwoven layer.
  • this DIN also several roles can be performed in connection with a transducer and a corresponding contact pressure over the web. With an arrangement of several rolls transversely to the machine direction, the nonwoven thickness can be recorded continuously and spatially resolved.
  • the measurement results depend on the contact between the tapping roller and the fiber mat, ie on the contact pressure, so that the method can only be used on fiber mats above a certain strength. Loose fiber layers, such as the needleless fold or loose fiber flakes, can not be investigated with it.
  • the thickness of the fiber mat is only an indirect measure of the basis weight, since this is dependent on both the number of fibers and their
  • the coupling liquid can fill the intermediate spaces or the pores of the material, so that the propagation of the ultrasound can also take place to a large extent in the coupling medium itself.
  • the coupling liquid can also be adsorbed by the material to be examined, as a result of which its properties-in particular the speed of the ultrasound-can change.
  • US Pat. No. 5,824,908 A discloses an ultrasound technique for the contactless examination of materials, in which the coupling of the ultrasound in the solid state material takes place without direct contact or interposition of a special coupling medium.
  • the coupling is achieved by exciting a resonance frequency of the solid-state material by suitably setting the irradiated ultrasonic frequency. Since the resonance frequency is dependent on the type of solid-state material and the thickness of the measured material layer, inhomogeneities in the sample thickness and material damage can be determined via the position or displacement of the resonance frequency. A change in the layer thickness can also be detected by changing the transit times of the ultrasonic pulses coupled into the material in the region of the resonance frequency. In any case, a tuning of the
  • the object of the present invention is to specify a method for determining characteristic values and / or the homogeneity of a loose or open-porous material layer, in particular a fiber mat, which can be carried out with little technical effort and also a continuous one
  • At least one ultrasonic transmitter is used on one side of the material layer and at least one ultrasonic receiver on an opposite side.
  • the material layer is irradiated with one or more ultrasound pulses in one or more geometrically defined regions, and the transit time of the ultrasound pulses between the ultrasound transmitter and the ultrasound receiver is measured for each of the regions.
  • characteristic values of the material layer in the respective regions are determined from the transit time by comparison with reference values and / or the homogeneity of the material layer is determined by comparing the transit times measured at locally different regions of the material layer.
  • the present method is distinguished above all by known ultrasound techniques in that the ultrasound pulses are radiated into the material layer in a frequency range in which they do not couple into material of the material layer.
  • the present method is thus a contactless method which manages without the use of a coupling medium.
  • the method is based on the surprising observation that the propagation of the ultrasound in the examined loose or open-pored material layers is delayed when the Ultrasonic pulses not in the solid state material of the material layer, for example. In the possibly the material layer forming fibers or particles, couple.
  • the delay of the ultrasonic pulses increases as the number of fibers or particles between the ultrasonic transmitter and the ultrasonic receiver increases.
  • the material layers usually consist of a distribution of fibers or particles with air or gas-filled spaces, for example. In the form of mats or flakes.
  • fiber mats are investigated by the method, which are formed by a multiplicity of superimposed fibers and represent a (porous) structure penetrated by air, then
  • Pulses according to the present method have a frequency at which they do not couple into the fibers. With a coupling, a shortening of the transit time would occur due to the higher speed of the ultrasound in solids.
  • the reason for the propagation time extension in the present method is assumed to be multiple reflections on the fibers in the investigated layer region, so that the ultrasound impulses arrive later on the ultrasound receiver in comparison with a straight-line propagation in air or a solid.
  • the number of reflections increases with increasing fiber number on the way between transmitter and receiver, so that so An extension of the term can be explained with increasing fiber number.
  • different transit times of the ultrasound pulses are measured in different regions of a fiber mat which have a different number of fibers or a different basis weight.
  • characteristic values of the material layer in particular the basis weight and / or the number of fibers or particles between ultrasound transmitter and ultrasound transmitter can then be determined. Receiver, determine.
  • the homogeneity of the material layer can be detected by simply measuring the transit times at local, different regions of the material layer. With approximately the same running times, a homogeneous fiber or particle distribution is present over the examined surface of the material layer. Greater differences are an indication of greater inhomogeneity in the
  • the transit times can, for example, be reproduced in color coding in a 2D diagram whose x and y axes correspond to the longitudinal or transverse direction of the surface of the material layer examined.
  • This area can, for example, via a Aperture can be adjusted, which is arranged between the Ultra ⁇ sound transmitter and the ultrasonic receiver directly above the material layer.
  • the location and the size of the aperture indicate the current examination area of the material layer over which the measurement averages.
  • the method can also be carried out without using a diaphragm if the receiving or transmitting surface of the ultrasound receiver and / or transmitter is placed so close to the material layer that the measured region is covered by the receiving or transmitting surface of the ultrasound receiver and / or sender is defined. In this case, this surface can also touch the material layer.
  • the comparison with reference values for determining the characteristic values preferably comprises a calculation step in which a runtime extension from the measured transit time (s) is calculated in each case in comparison with a known, in particular predetermined, runtime by air.
  • the calculated propagation delays are then compared with predetermined calibration values which specify the characteristic values of the material layer as a function of the transit time extension with respect to air.
  • predetermined calibration values can be obtained by pre-measurement on material layers of the same type with different characteristic values.
  • the geometrically defined regions on the material layer are changed continuously or discontinuously locally until the entire surface has been measured or scanned. It is advantageous if the material Moved layer during the measurements relative to the ultrasonic transmitter and the ultrasonic receiver and / or the ultrasonic transmitter and the ultrasonic receiver are moved relative to the material layer to measure the locally different areas.
  • the material Moved layer during the measurements relative to the ultrasonic transmitter and the ultrasonic receiver and / or the ultrasonic transmitter and the ultrasonic receiver are moved relative to the material layer to measure the locally different areas.
  • the present method can also be used for the detection of deviations in the homogeneity already in the production process of the material layers, in particular the fiber mats.
  • measurements are taken continuously or discontinuously at different points of the fiber mats produced in order to detect a deviation by a minimum value from a predetermined setpoint running time and to use these values to control the production process.
  • the method can thus be used as an essentially contactless on-line measuring method for determining the fiber distribution or the homogeneity of the basis weight of a material layer, in particular in the production of a fiber mat.
  • the measurement is carried out by irradiation of ultrasonic pulses by air into the material layer.
  • the frequency range in which the ultrasonic pulses are irradiated is chosen so that no coupling of the ultrasonic pulses takes place in the material of the material layer. This can also be recognized by the fact that a running time extension of the ultrasonic pulses opposes a straight spread in air results.
  • the present method can be realized with very simple effort.
  • the determination of the characteristic values and / or the homogeneity of the basis weight of the material layer only requires the determination of the transit time of the ultrasound pulses between the ultrasound transmitter and the ultrasound receiver and possibly a comparison with reference values. With the present method, therefore, the local distribution of the basis weight of a material layer can be determined in a simple manner. A monitoring of the homogeneity of a material layer without determining the specific surface masses is easily possible with the method.
  • Material layer can be used.
  • An arrangement of a large-area (line-shaped) ultrasonic receiver with respect to a row of individual ultrasound transmitters is also possible for the line-by-line determination of the basis weight.
  • several ultrasound receivers and ultrasound transmitters can also be arranged opposite one another line by line in order to carry out the method.
  • Ausgestlung réellekeit at least one pair of ultrasonic transmitter and ultrasonic receiver line wise over the material layer out, which moves simultaneously perpendicular to the row direction between the transmitter and receiver through.
  • the present method can be advantageously used in the production of wide fiber mats, e.g. B. on nonwoven laying machines to perform a quality control and / or to optimize the manufacturing process.
  • the process can also be used only for process recording and, since it works without contact, it can be used without difficulty both in the area of needled and non-needle punched material.
  • it is additionally possible to use an x-y table controller for punctiform recording of the area distribution with which the mats are moved for grid-shaped measurement.
  • Fig. 1 shows schematically an example of a
  • Measurement setup for carrying out the present method 2 shows an example of measured transit times when passing through air and through a fleece;
  • Diagram for the visualization of the measured transit times or the homogeneity of a fiber mat Diagram for the visualization of the measured transit times or the homogeneity of a fiber mat.
  • FIG. 1 shows an example of a measuring arrangement for carrying out the present method.
  • the measuring arrangement is composed of an ultrasonic transmitter 1 and an opposite ultrasonic receiver 2, which are connected to an ultrasonic signal generator 3 for generating a triggered ultrasonic pulse.
  • the ultrasonic signal generator 3 and the ultrasonic detector 2 are further with a PC with oscilloscope function 4 for recording the from
  • Ultrasonic detector 2 received ultrasonic signal connected.
  • the material layer in the present example a nonwoven 5, is arranged at a small distance above the ultrasound receiver 2, so that the surface of the nonwoven examined in each case passes through the surface
  • Receiving surface of the ultrasonic receiver 2 is predetermined.
  • a diaphragm 6 made of a material which is impermeable to ultrasound, for example a metal foil with an opening (for example a square with a defined surface), can be directly above the diaphragm
  • Fleece 5 are arranged in order to reduce the area under investigation or limit and thus to improve the local resolution of the process.
  • the measurement is performed in this example with an ultrasonic pulse of a frequency of 250 kHz MaschinenNet ⁇ .
  • the duration of the ultrasonic pulse in air t 0 is at a distance L between transmitter and
  • the web 5 is already measured during or immediately after the manufacturing process with the present method, wherein the web is continuously moved in a direction between the ultrasonic transmitter 1 and the ultrasonic receiver 2.
  • the arrangement of ultrasound transmitter 1 and ultrasound receiver 2 can be, for example, perpendicular or - taking into account the further movement of the web - also obliquely to the direction of movement of the web 5 line by line back and forth to measure the entire surface.
  • the time interval for the respective determination of the transit times is preferably set so short that the web moves only slightly in this time interval.
  • FIG. 3 shows, for example, a 2D contour of the propagation delay ⁇ t on a fleece with an area of 500 ⁇ 500 mm 2 .
  • the different surfaces which can be seen in the figure are areas of the nonwoven with different surface masses.
  • the regions with the lowest propagation delay represent the weak points of the fiber mat.
  • Such a representation is preferably visualized in color coded manner, so that the weak points for the observer can be recognized immediately on the basis of the color.
  • the delay times can also be assigned the corresponding surface masses, so that instead of the delay time in this case, the basis weight of the respectively measured area of nonwoven fabric can be specified directly.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Kennwerten und/oder der Homogenität einer offenporigen Material Schicht (5), insbesondere einer Fasermatte, durch Messung der Laufzeiten von Ultraschall-Impulsen durch die Materialschicht (5). Die Ultraschall-Impulse werden hierbei ohne ein zwischenliegendes Koppelmedium in die Materialschicht (5) eingestrahlt, wobei ein Frequenzbereich der Ultraschall-Impulse gewählt wird, bei dem die Ultraschall-Impulse nicht in Material der Materialschicht (5) einkoppeln. Aus örtlich unterschiedlichen Laufzeiten kann dann eine Aussage über die Homogenität der Materialschicht (5) getroffen werden. Das Verfahren lässt sich ohne großen Aufwand durchführen und erlaubt insbesondere eine zerstörungsfreie, kontaktlose Online-Überwachung und Dokumentation der Homogenität von Fasermatten.

Description

ULTRASCHALLVERFAHREN ZUR BESTIMMUNG VOM KENNWERTEN UND/ODER DER HOMOGENITÄT
EINER OFFENPRORIGEN MATERIALSCHICHT
Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren 5 zur Bestimmung von Kennwerten und/oder der Homogenität einer offenporigen Materialschicht, insbesondere einer Fasermatte, unter Einsatz von Ultraschall-Impulsen. Unter einer offenporigen Materialschicht ist hierbei eine Schicht aus Festkörpermaterial zu verstehen, die 10 von Luft- oder Gas-gefüllten Zwischenräumen durch¬ drungen ist, beispielsweise eine lockere Material¬ schichten aus einzelnen Fasern und/oder Partikeln.
Eine bevorzugte Anwendung des Verfahrens besteht 15 in der Bestimmung der Homogenität der Faserverteilung in Fasermatten (Vliese) . Die Eigenschaften von Faser¬ matten hängen sehr stark von der Flächenmasse, d. h. der Gesamtmasse der Fasern pro Flächeneinheit der Fasermatte, ab. Ein entscheidendes Qualitätsmerkmal für
20 den Einsatz der Fasermatten ist deshalb die Homogenität der Flächenmasse, d. h. die gleichmäßige Verteilung der Fasern über die Fläche. Inhomogenitäten der Faserver¬ teilung führen zur Ausbildung von Bereichen mit geringer Flächenmasse, die Schwachstellen der Vlies- 25 eigenschaften darstellen. So beeinträchtigen derartige Bereiche mit geringer Flächenmasse bspw. die mecha¬ nische Festigkeit und die Dehnbarkeit der Fasermatten. Die Schwachstellen können bei entsprechender Belastung zum Versagen der Fasermatten in diesem Bereich führen.
30 Auf der anderen Seite verursachen derartige Bereiche bei der Nutzung von Aus- oder Abschnitten aus einer Fasermatte eine breite, unakzeptable Streuung der Materialkennwerte. Schwankungen der Flächenmasse können beim Einsatz der Fasermatten als Verstärkungsmaterial in Formpressteilen zu einem lokalen Versagen (Reißen) beim Drapieren und demzufolge zu Schwachstellen im Bauteil führen, wenn ein Vliesbereich mit niedriger Flächenmasse in einer Zone hoher Dehnung in der Pressform liegt. Bei der Verwendung der Fasermatten als Filter- und Dämmmatten führen Bereiche mit unterschied¬ lichen Flächenmassen zu lokalen Unterschieden in den Durchlässigkeiten bzw. Dämmwerten. Auch beim Einsatz als Feuchteträger, bspw. in Windeln, bedingen lokal unterschiedliche Flächenmassen Unterschiede in der Flüssigkeitsaufnahme.
Stand der Technik
Die Flächenmasse wird nach DIN EN 29073-1:1992-08 an Flächenabschnitten > 500 cm2 durch Wägen bestimmt. Die Flächenmasse wird im Allgemeinen im Anschluss an den Produktionsprozess als Mittelwert aus dem Quotienten des Gewichts und der Gesamtfläche einer Fasermatte ermittelt. Inhomogenitäten werden bei dieser Art der Bestimmung je nach Größe der Prüffläche gemittelt. Dieses Verfahren ist diskontinuierlich, es stellt lediglich eine exemplarische Bestimmung der Flächenmasse dar und hat zudem die Zerstörung der Fasermatten zur Folge. Es eignet sich daher nicht für eine On-line-Qualitätskontrolle bei der Herstellung oder Verwendung von Fasermatten. Die Homogenität der Faserverteilung der Faser¬ matten kann auch durch eine Dickenkontrolle erfasst werden. Die Dicke der Fasermatten wird nach DIN EN ISO 9073-2:1997-02 bestimmt und kann durch das Aufsetzen einer Messplatte in Verbindung mit einem Wegaufnehmer gemessen werden. In dieser DIN, die, ebenso wie die erstgenannte DIN, bspw. dem Buch „Vliesstoffe" von W. Albrecht, H. Fuchs und W. Kittelmann, Wiley-VCH Verlag GmbH, Winheim (Deutschland. 2000) entnommen werden kann, werden der Prüfdruck und die Prüffläche in
Abhängigkeit von der Komprimierbarkeit und der Dicke der Fasermatten festgelegt. Da die Messplatte auf die Fasermatte aufgesetzt werden muss, ist dieses Verfahren nicht geeignet, die Faserverteilung kontinuierlich im Verlauf der Vliesherstellung im Vliesleger zu erfassen. In einer Abwandlung dieser DIN können auch mehrere Rollen in Verbindung mit einem Wegaufnehmer und einem entsprechenden Anpressdruck über das Vlies geführt werden. Bei einer Anordnung mehrerer Rollen quer zur Maschinenlaufrichtung kann die Vliesdicke kontinuier¬ lich und ortsaufgelost erfasst werden. Allerdings hängen die Messergebnisse vom Kontakt zwischen der abgreifenden Rolle und der Fasermatte, also vom Anpressdruck ab, so dass das Verfahren nur an Faser- matten ab einer bestimmten Festigkeit eingesetzt werden kann. Lockere Faserlagen, wie die unvernadelte Fache oder lockere Faserflocken, können damit nicht unter¬ sucht werden. Weiterhin ist die Dicke der Fasermatte nur ein indirektes Maß für die Flächenmasse, da diese sowohl von der Anzahl der Fasern als auch von deren
Verdichtung, bspw. von der so genannten Vernadelungsdichte, abhängig ist. In der Werkstofftechnik wird zur Untersuchung verschiedener kompakter Festkörper auch die Ultra¬ schalltechnik eingesetzt. So ist es beispielsweise bekannt, Ultraschall-Impulse in das Festkörpermaterial einzukoppeln, damit sie sich in dem Material aus¬ breiten, und an einer Auskoppelstelle mit einem Ultraschall-Empfänger zu empfangen, um die Impuls¬ laufzeiten durch den Festkörper zu messen. Da die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schall in Festkörpern höher ist als in Luft, wird die Impulslaufzeit bei gleichem Abstand zwischen Ultraschall-Sender und Ultraschall-Empfänger durch das Einkoppeln in den dazwischen positionierten Festkörper verkürzt. Die Ein- und Auskopplung der Ultraschall-Impulse wird entweder durch direkten Kontakt zwischen dem Festkörpermaterial und dem Ultraschall-Sender und -Empfänger oder mit Hilfe eines zusätzlichen Kopplungsmediums für Ultra¬ schall erreicht. Als Kopplungsmedien werden in der Regel spezielle Flüssigkeiten oder Wasser benutzt. Für die Untersuchung lockerer bzw. offenporiger Materialien ist diese Art der Einkopplung jedoch nicht geeignet. So kann die Kopplungsflüssigkeit die Zwischenräume bzw. die Poren des Materials füllen, so dass die Ausbreitung des Ultraschalls auch zu einem großen Teil im Kop- plungsmedium selbst erfolgen kann. Andererseits kann die Kopplungsflüssigkeit auch von dem zu untersuchenden Material adsorbiert werden, wodurch sich dessen Eigen¬ schaften - insbesondere die Geschwindigkeit des Ultraschalls - ändern können.
Aus der US 5824908 A ist eine Ultraschalltechnik zur berührungslosen Untersuchung von Materialien bekannt, bei der die Einkopplung des Ultraschalls in das Festkörpermaterial ohne direkten Kontakt oder Zwischenschaltung eines speziellen Kopplungsmediums erfolgt. Die Einkopplung wird bei dieser Technik dadurch erreicht, dass durch geeignete Einstellung der eingestrahlten Ultraschallfrequenz eine Resonanz¬ frequenz des Festköpermaterials angeregt wird. Da die Resonanzfrequenz abhängig von der Art des Festkörper¬ materials und der Dicke der vermessenen Materialschicht ist, können über die Lage bzw. Verschiebung der Resonanzfrequenz Inhomogenitäten in der Probendicke sowie Materialschäden ermittelt werden. Eine Änderung der Schichtdicke kann dabei auch über eine Änderung der Laufzeiten der im Bereich der Resonanzfrequenz in das Material eingekoppelten Ultraschall-Impulse erfasst werden. In jedem Fall ist ein Durchstimmen der
Ultraschallfrequenz zur Einstellung der Resonanz notwendig, so dass keine kontinuierliche Messung möglich ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Bestimmung von Kennwerten und/oder der Homogenität einer lockeren bzw. offen¬ porigen Materialschicht, insbesondere einer Fasermatte, anzugeben, das sich mit geringem technischen Aufwand durchführen lässt und auch eine kontinuierliche
Überwachung der Homogenität der Materialschicht in einem Produktionsprozess ermöglicht.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patent¬ anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
Bei dem vorliegenden Verfahren zur Bestimmung von Kennwerten und/oder der Homogenität einer offenporigen Materialschicht, insbesondere einer Fasermatte, wird auf einer Seite der Materialschicht zumindest ein Ultraschall-Sender und auf einer gegenüberliegenden Seite zumindest ein Ultraschall-Empfänger eingesetzt. Die Materialschicht wird in einem oder mehreren geo¬ metrisch definierten Bereichen mit einem oder mehreren Ultraschall-Impulsen durchstrahlt und die Laufzeit der Ultraschall-Impulse zwischen dem Ultraschall-Sender und dem Ultraschall-Empfänger wird für jeden der Bereiche gemessen. Schließlich werden aus der Laufzeit Kennwerte der Materialschicht in den jeweiligen Bereichen durch Vergleich mit Referenzwerten bestimmt und/oder die Homogenität der Materialschicht wird durch Vergleich der Laufzeiten, die an örtlich unterschiedlichen Bereichen der Materialschicht gemessen wurden, bestimmt. Das vorliegende Verfahren zeichnet sich vor allem dadurch gegenüber bekannten Ultraschalltechniken aus, dass die Ultraschall-Impulse in einem Frequenz¬ bereich in die Materialschicht eingestrahlt werden, in dem sie nicht in Material der Materialschicht ein- koppeln.
Das vorliegende Verfahren ist somit ein kontakt¬ loses Verfahren, das ohne Verwendung eines Kopplungs- mediums auskommt. Das Verfahren beruht auf der über¬ raschenden Beobachtung, dass die Ausbreitung des Ultraschalls in den untersuchten lockeren bzw. offenporigen Materialschichten verzögert wird, wenn die Ultraschall-Impulse nicht in das Festkörpermaterial der Materialschicht, bspw. in die ggf. die Materialschicht bildenden Fasern oder Partikel, einkoppeln. Die Verzögerung der Ultraschall-Impulse nimmt mit zuneh- mender Zahl von Fasern oder Partikeln, die zwischen Ultraschall-Sender und Ultraschall-Empfänger liegen, zu. Die Materialschichten bestehen dabei in der Regel aus einer Verteilung von Fasern oder Partikeln mit Luft- oder Gas-gefüllten Zwischenräumen, bspw. in Form von Matten oder Flocken.
Werden bspw. Fasermatten mit dem Verfahren unter¬ sucht, die durch eine Vielzahl übereinander geschich¬ teter Fasern gebildet sind und eine von Luft durch- drungene (poröse) Struktur darstellen, so wird im
Gegensatz zu den bekannten Ultraschalluntersuchungen an Festkörpern mit dem vorliegenden Verfahren eine Verlängerung der Laufzeit der Ultraschall-Impulse gegenüber der Laufzeit in Luft beobachtet. Diese Verlängerung ergibt sich dann, wenn die Ultraschall-
Impulse gemäß dem vorliegenden Verfahren eine Frequenz aufweisen, bei der sie nicht in die Fasern einkoppeln. Bei einer Einkopplung würde aufgrund der höheren Geschwindigkeit des Ultraschalls in Festkörpern eine Verkürzung der Laufzeit eintreten.
Als Grund für die LaufZeitverlängerung werden beim vorliegenden Verfahren Vielfachreflexionen an den Fasern im untersuchten Schichtbereich angenommen, so dass die Ultraschall-Impulse gegenüber einer gerad- linigen Ausbreitung in Luft oder einem Festkörper später am Ultraschall-Empfänger eintreffen. Die Anzahl der Reflexionen nimmt bei steigender Faserzahl auf dem Weg zwischen Sender und Empfänger zu, so dass damit auch eine Verlängerung der Laufzeit mit zunehmender Faserzahl erklärbar ist. Somit werden beim vorliegenden Verfahren in unterschiedlichen Bereichen einer Faser¬ matte, die eine unterschiedliche Anzahl von Fasern bzw. eine unterschiedliche Flächenmasse aufweisen, unter¬ schiedliche Laufzeiten der Ultraschall-Impulse gemessen. Durch Vergleich der gemessenen Laufzeiten mit vorbestimmten Referenzwerten, die für den jeweils untersuchten Typ der Materialschicht vorab ermittelt werden können, lassen sich dann Kennwerte der Material¬ schicht, insbesondere die Flächenmasse und/oder die Anzahl der Fasern oder Partikel zwischen Ultraschall- Sender und Ultraschall-Empfänger, bestimmen. Weiterhin kann durch einfache Messung der Laufzeiten an örtliche unterschiedlichen Bereichen der Materialschicht die Homogenität der MaterialSchicht erfasst werden. Bei annähernd gleichen Laufzeiten liegt eine homogene Faser- bzw. Partikelverteilung über die untersuchte Fläche der Materialschicht vor. Größere Unterschiede sind ein Anzeichen für größere Inhomogenitäten in der
Faserverteilung. Die Laufzeiten können hierbei bspw. farblich codiert in einem 2D-Diagramm wiedergegeben werden, dessen x- und y-Achse der Längs- bzw. Querrichtung der untersuchten Fläche der Material- schicht entsprechen.
Für die Bestimmung der Kennwerte oder der Homogenität der Materialschicht ist es erforderlich, die Messung jeweils in geometrisch definierten Bereichen durchzuführen, um insbesondere für die
Bestimmung der Flächenmasse die Größe der durch¬ strahlten Fläche der Materialschicht zu kennen, die in die Messung eingeht. Diese Fläche kann bspw. über eine Blende eingestellt werden, die zwischen dem Ultra¬ schall-Sender und dem Ultraschall-Empfänger direkt über der Materialschicht angeordnet wird. Der Ort und die Größe der Blendenöffnung geben dabei den momentanen Untersuchungsbereich der Materialschicht an, über den die Messung mittelt . Das Verfahren kann auch ohne Einsatz einer Blende durchgeführt werden, wenn die Empfangs- bzw. Sendefläche des Ultraschall-Empfängers und/oder -Senders so nahe an der Materialschicht platziert wird, dass der vermessene Bereich durch die Empfangs- bzw. Sendefläche des Ultraschallschall- Empfängers und/oder -Senders definiert ist. Hierbei kann diese Fläche auch die Materialschicht berühren.
Der Vergleich mit Referenzwerten zur Bestimmung der Kennwerte umfasst vorzugsweise einen Berechnungs¬ schritt, in dem aus der/den gemessenen Laufzeit (en) jeweils eine Laufzeitverlängerung gegenüber einer bekannten, insbesondere vorbestimmten, Laufzeit durch Luft berechnet wird. Die berechneten Laufzeitverlän¬ gerungen werden dann mit vorbestimmen Eichwerten verglichen, die Kennwerte der Materialschicht in Abhängigkeit von der Laufzeitverlängerung gegenüber Luft angeben. Derartige Eichwerte können durch eine Vormessung an Materialschichten gleichen Typs mit unterschiedlichen Kennwerten erhalten werden.
Für eine Vermessung der kompletten Fläche einer Materialschicht werden die geometrisch definierten Bereiche auf der Materialschicht kontinuierlich oder diskontinuierlich örtlich verändert, bis die voll¬ ständige Fläche vermessen bzw. abgerastert wurde. Hierbei ist es von Vorteil, wenn sich die Material- Schicht während der Messungen relativ zum Ultraschall- Sender und Ultraschall-Empfänger bewegt und/oder der Ultraschall-Sender und Ultraschall-Empfänger relativ zur Materialschicht bewegt werden, um die örtlich unterschiedlichen Bereiche zu vermessen. Selbst¬ verständlich können mit mehreren Ultraschall-Sendern und/oder mehreren Ultraschall-Empfängern auch gleichzeitig Messungen in unterschiedlichen Bereichen durchgeführt werden.
Weiterhin lässt sich das vorliegende Verfahren auch zur Detektion von Abweichungen in der Homogenität schon im Produktionsprozeß der Materialschichten, insbesondere der Fasermatten, einsetzen. Hierzu werden kontinuierlich oder diskontinuierlich an unterschied¬ lichen Stellen der produzierten Fasermatten Messungen vorgenommen, um eine Abweichung um einen Mindestwert von einer vorgegebenen Solllaufzeit zu detektieren und diese Werte zur Steuerung des Produktionsprozesses zu nutzen.
Das Verfahren lässt sich somit als im Wesentlichen kontaktloses On-line-Messverfahren zur Bestimmung der Faserverteilung oder der Homogenität der Flächenmasse einer Materialschicht, insbesondere bei der Herstellung einer Fasermatte, einsetzen. Die Messung erfolgt durch Einstrahlung von Ultraschall-Impulsen durch Luft in die Materialschicht. Der Frequenzbereich, in dem die Ultraschall-Impulse eingestrahlt werden, wird dabei so gewählt, dass keine Einkopplung der Ultraschall-Impulse in das Material der Materialschicht stattfindet. Dies kann auch daran erkannt werden, dass sich eine Lauf¬ zeitverlängerung der Ultraschall-Impulse gegenüber einer geradlinigen Ausbreitung in Luft ergibt. Das vorliegende Verfahren lässt sich im Gegensatz zu einer Einkopplungstechnik, bei der die Ultraschallfrequenzen im Bereich der Resonanzen der Materialschicht liegen müssen, mit sehr einfachem Aufwand realisieren. So ist bspw. bei der Vermessung von Fasermatten eine Einstrah¬ lung der Ultraschallsignale mit einer definierten Frequenz von bspw. 40 oder 250 kHz vollkommen aus¬ reichend. Die Bestimmung der Kennwerte und/oder der Homogenität der Flächenmasse der Materialschicht erfordert dabei lediglich die Bestimmung der Laufzeit der Ultraschall-Impulse zwischen Ultraschall-Sender und Ultraschall-Empfänger sowie ggf. einen Vergleich mit Referenzwerten. Mit dem vorliegenden Verfahren lässt sich daher die örtliche Verteilung der Flächenmasse einer Materialschicht auf einfache Weise bestimmen. Auch eine Überwachung der Homogenität einer Material- Schicht ohne Bestimmung der konkreten Flächenmassen ist mit dem Verfahren problemlos möglich.
Für eine kontinuierliche oder diskontinuierliche Vermessung einer Materialschicht kann bspw. ein gro߬ flächiger (zeilenförmiger) Ultraschall-Sender gegenüber einer Zeile von einzelnen Ultraschall-Empfängern für eine zeilenweise Bestimmung der Flächenmasse der
Materialschicht eingesetzt werden. Auch eine Anordnung eines großflächigen (zeilenförmigen) Ultraschall- Empfängers gegenüber einer Zeile von einzelnen Ultra¬ schall-Sendern ist für die zeilenweise Bestimmung der Flächenmasse möglich. Schließlich lassen sich bspw. mehrere auch Ultraschall-Empfänger und Ultraschall- Sender jeweils gegenüberliegend zeilenweise anordnen, um das Verfahren durchzuführen. In einer weiteren Ausgestaltungsmöglichkeit wird zumindest ein Paar aus Ultraschall-Sender und Ultraschall-Empfänger zeilen¬ weise über die Materialschicht geführt, die sich gleichzeitig senkrecht zur Zeilenrichtung zwischen Sender und Empfänger hindurch bewegt .
Das vorliegende Verfahren lässt sich vorteilhaft bei der Herstellung von breiten Fasermatten, z. B. an Vlieslegemaschinen einsetzen, um eine Qualitäts- kontrolle durchzuführen und/oder den Herstellungs- prozess zu optimieren. Das Verfahren kann auch lediglich der Prozessaufzeichnung dienen und lässt sich, da es kontaktlos arbeitet, sowohl im Bereich vernadelten als auch unvernadelten Materials problemlos einsetzen. Für eine Vermessung von kleineren Faser¬ matten kann zusätzlich eine x-y-Tischsteuerung zur punktförmigen Aufzeichnung der Flächenverteilung eingesetzt werden, mit der die Matten zur raster- förmigen Vermessung bewegt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Das vorliegende Verfahren wird nachfolgend ohne Beschränkung des durch die Patentansprüche vorgegebenen Schutzbereichs anhand von Ausführungsbeispielen nochmals erläutert. Hierbei zeigen:
Fig. 1 schematisch ein Beispiel für einen
Messaufbau zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens; Fig. 2 ein Beispiel für gemessene Laufzeiten bei Durchgang durch Luft und durch ein Vlies; und
Fig. 3 eine beispielhafte Darstellung eines 2D-
Diagramms zur Visualisierung der gemes¬ senen Laufzeiten bzw. der Homogenität einer Fasermatte.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Figur 1 zeigt ein Beispiel für eine Messanordnung zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens. Die Messanordnung setzt sich aus einem Ultraschall-Sender 1 und einem gegenüberliegenden Ultraschall-Empfänger 2 zusammen, die an einem Ultraschall-Signalgenerator 3 zur Erzeugung eines getriggerten Ultraschall-Impulses angeschlossen sind. Der Ultraschall-Signalgenerator 3 und der Ultraschall-Detektor 2 sind weiterhin mit einem PC mit Oszillograph-Funktion 4 zur Aufzeichnung des vom
Ultraschall-Detektor 2 empfangenen Ultraschall-Signals verbunden. Die Materialschicht, im vorliegenden Bei¬ spiel ein Vlies 5, ist in einem geringen Abstand über dem Ultraschall-Empfänger 2 angeordnet, so dass die jeweils untersuchte Fläche des Vlieses durch die
Empfangsfläche des Ultraschall-Empfängers 2 vorgegeben ist. Alternativ oder zusätzlich kann eine Blende 6 aus einem für den Ultraschall undurchlässigen Material, bspw. eine Metallfolie mit einer Öffnung (z. B. ein Quadrat mit einer definierten Fläche) direkt über dem
Vlies 5 angeordnet werden, um die untersuchte Fläche zu verkleinern bzw. zu begrenzen und damit die lokale Auflösung des Verfahrens zu verbessern. Die Messung wird in diesem Beispiel mit einem Ultraschall-Impuls einer Frequenz von 250 kHz durch¬ geführt. Die Laufzeit des Ultraschall-Impulses in Luft t0 beträgt bei einem Abstand L zwischen Sender und
Empfänger von 41 mm ca. 127 μs. Die Schallgeschwindig¬ keit in Luft beträgt etwa 330 m/sec unter Normaldruck und bei Raumtemperatur. Beim Durchlaufen eines typischen Vlieses 5 wird die Laufzeit des Ultraschall- Impulses tx = 130,3 μs um ca. Δt = 3,3 μs verzögert. Diese Laufzeit wird an dem PC-Oszillographen 4 gemessen, der das empfangene Ultraschall-Signal 8 sowie ein Triggersignal 7 des Ultraschall-Signalgenerators 3 erhält, aus denen die Verzögerungszeit berechnet werden kann.
Vorzugsweise wird das Vlies 5 bereits während oder direkt im Anschluss an den Herstellungsprozess mit dem vorliegenden Verfahren vermessen, wobei das Vlies in einer Richtung zwischen dem Ultraschall-Sender 1 und dem Ultraschall-Empfänger 2 kontinuierlich hindurch bewegt wird. Die Anordnung aus Ultraschall-Sender 1 und Ultraschall-Empfänger 2 kann dabei bspw. senkrecht oder - unter Berücksichtigung der Weiterbewegung des Vlieses - auch schräg zur Bewegungsrichtung des Vlieses 5 zeilenweise hin- und herbewegt werden, um die gesamte Fläche zu vermessen. Das Zeitintervall zur jeweiligen Bestimmung der Laufzeiten wird vorzugsweise so kurz eingestellt, dass sich das Vlies in diesem Zeit- intervall nur wenig weiterbewegt. Ein eventueller
Versatz des Vlieses während der Abrasterung der Zeile kann bei einer 2D-Darstellung, wie sie in Figur 3 beispielhaft gezeigt ist, mit eingerechnet werden. Figur 2 zeigt beispielhaft die Laufzeiten des Ultraschallsignals von t0 = 127 μs an Luft (Teilab¬ bildung a) und von tx = 130,3 μs an einem Vlies (Teil- abbildung b) bei dem gewählten Abstand L von 41 mm zwischen Ultraschall-Sender 1 und Ultraschall-Empfänger 2. Aus den beiden Teilabbildungen ist, durch die gestrichelten senkrechten Linien angedeutet, deutlich die Laufzeitverzögerung des Ultraschall-Impulses durch das Vlies zu erkennen.
Durch Auftragung der an den unterschiedlichen Orten des Vlieses gemessenen Laufzeiten über der Fläche kann ein Bild der Homogenität des Vlieses erstellt werden. Schwachstellen im Vlies können in dieser Darstellung sofort erkannt werden.
Figur 3 zeigt hierbei bspw. eine 2D-Kontur der Laufzeitverzögerung Δt an einem Vlies mit einer Fläche von 500 x 500 mm2. Die unterschiedlichen, in der Figur erkennbaren Flächen sind Bereiche des Vlieses mit unterschiedlichen Flächenmassen. Insbesondere die Bereiche mit der geringsten Laufzeitverzögerung stellen die Schwachpunkte der Fasermatte dar. Eine derartige Darstellung wird vorzugsweise farblich codiert visuali- siert, so dass die Schwachstellen für den Betrachter sofort anhand der Farbe erkennbar sind.
Durch vorherige Eichmessungen für den jeweiligen Vliestyp können den Verzögerungszeiten auch die entsprechenden Flächenmassen zugeordnet werden, so dass anstelle der Verzögerungszeit in diesem Fall direkt die Flächenmasse des jeweils vermessenen Bereiches Vlieses angegeben werden kann. Bezugszeichenliste
1 Ultraschall-Sender
2 Ultraschall-Empfänger bzw. -Detektor 3 Ultraschall-Signalgenerator
4 PC-Oszillograph
5 Vlies
6 Blende
7 Triggersignal 8 Ultraschallsignal (Messsignal)

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Bestimmung von Kennwerten und/oder der Homogenität einer offenporigen MaterialSchicht
(5) , insbesondere einer Fasermatte, bei dem - auf einer Seite der Materialschicht (5) zumindest ein Ultraschall-Sender (1) und auf einer gegenüber liegenden Seite zumindest ein Ultraschall-Empfänger (2) eingesetzt wird,
- die Materialschicht (5) in einem oder mehreren geometrisch definierten Bereichen mit einem oder mehreren Ultraschall-Impulsen durchstrahlt wird,
- die Laufzeit der Ultraschall-Impulse zwischen dem Ultraschall-Sender (1) und dem Ultraschall-Empfän¬ ger (2) für jeden der Bereiche gemessen wird, und - aus der Laufzeit die Kennwerte der Material-
Schicht (5) in den Bereichen durch Vergleich mit Referenzwerten bestimmt werden und/oder die Homo¬ genität der Materialschicht (5) durch Vergleich der Laufzeiten, die an örtlich unterschiedlichen Bereichen der Materialschicht (5) gemessen wurden, bestimmt wird,
- wobei die Ultraschall-Impulse in einem Frequenz¬ bereich in die Materialschicht (5) eingestrahlt werden, in dem sie nicht in Material der Material- Schicht (5) einkoppeln.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Kennwerte die Flächenmasse der Material- schicht (5) und/oder eine Anzahl von die Material- Schicht (5) bildenden Partikeln und/oder Fasern über die Fläche der Materialschicht (5) bestimmt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleich mit Referenzwerten einen Berechnungsschritt umfasst, in dem aus der oder den gemessenen Laufzeit (en) jeweils eine Laufzeit- Verlängerung gegenüber einer Laufzeit durch Luft berechnet wird, wobei die berechneten Laufzeit¬ verlängerungen zur Bestimmung der Kennwerte mit vorbestimmten Eichwerten als Referenzwerte verglichen werden, die Kennwerte der Material- schicht (5) in Abhängigkeit von der Laufzeitver¬ längerung gegenüber Luft angeben.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Blende (6) so vor dem Ultraschall-
Empfänger (2) oder der Materialschicht (5) angeordnet wird, dass der jeweils geometrisch definierte Bereich durch eine eingestellte Blenden¬ öffnung der Blende (6) festgelegt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschall-Empfänger (2) und/oder -Sender (3) so nahe an der Materialschicht (5) angeordnet wird, dass der jeweils geometrisch definierte
Bereich durch eine Empfangs- und/oder Sendefläche des Ultraschall-Empfängers (2) und/oder -Senders (3) festgelegt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die gemessenen Laufzeiten, die an örtlich unterschiedlichen Bereichen der Materialschicht (5) gemessenen wurden, oder daraus abgeleitete Werte in einem 2D- oder 3D-Diagramm ortsaufgelδst visualisiert werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialschicht (5) mit den Ultraschall- Impulsen durchstrahlt wird und die Laufzeiten der Ultraschall-Impulse gemessen werden, während sich die Materialschicht (5) relativ zum Ultraschall- Sender (1) und Ultraschall-Empfänger (2) bewegt und/oder der Ultraschall-Sender (1) und Ultra¬ schall-Empfänger (2) miteinander relativ zur Materialschicht (5) bewegt werden, um örtlich unterschiedliche Bereiche der Materialschicht (5) zu vermessen.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschall-Empfänger und/oder der Ultraschall-Sender eine Sende- und/oder Empfangs- zeile zur zeilenweisen Vermessung der Material- schicht bilden, wobei sich die Materialschicht kontinuierlich zwischen beiden hindurch bewegt.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung der MaterialSchicht kontinuier¬ lich und die Erfassung der Laufzeiten in Zeit¬ abständen erfolgt, die eine vollständige Vermessung der Materialschicht gewährleisten.
10. Verfahren nach Anspruch 7, 8 oder 9 zur Überwachung der Homogenität der Materialschicht (5) , bei dem Abweichungen von einer Soll-Laufzeit der Ultra¬ schall-Impulse erfasst werden.
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