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Diese
Erfindung betrifft generell die Ultraschallmessung, genauer gesagt
ein Ultraschallverfahren und eine Ultraschallvorrichtung zum Messen der
Dicke von einzelnen Schichten von unterschiedlichen Materialien
einer Mehrschichtstruktur.
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Umweltschutz
und Regulierungen haben die Forderung nach einer Reduzierung der
schädlichen Kohlenwasserstoffdämpfe; die
von Fahrzeugen abgegeben werden, verstärkt und zur Entwicklung von neuen
Technologien zur Herstellung von Kunststoffkraftstofftanks geführt. Dabei
wurde festgestellt, dass ein aus einer einzigen Kunststoffschicht,
wie beispielsweise Polyethylen hoher Dichte, konstruierter Kraftstofftank
eine unakzeptabel hohe Permeationsrate des Kraftstoffdampfes besitzt.
Daher werden die momentan hergestellten Kunststoffkraftstofftanks
mit mehreren Schichten ausgebildet, von denen eine eine Dampfsperrschicht
ist. Mit diesen Tanks wird die Menge der in die Atmosphäre abgegebenen
Kohlenwasserstoffe gegenüber
unbehandelten Einschicht-Kunststoffkraftstofftanks um das 60fache
verringert.
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Eine
typische Mehrschicht-Kunststoffkraftstofftankkonstruktion besitzt
eine Außenschicht
aus Polyethylen hoher Dichte, eine Innenschicht aus Polyethylen
hoher Dichte und eine dazwischen angeordnete Dampfsperrschicht.
Die Dampfsperrschicht wird typischerweise von einem Polymer, wie
Ethylenvinylalkohol, gebildet, das eine Klebschicht sowohl benachbart
zu der Außenschicht
als auch benachbart zur Innenschicht benötigt, wobei diese Schichten das
Polyethylen hoher Dichte mit dem Ethylenvinylalkohol verbinden.
Ein Mehrschicht-Kunststoffkraftstofftank ist in der Herstellung
schwieriger als ein Einschicht-Kunststoffkraftstofftank. Um bei
der Massenproduktion die Qualität
der Mehrschicht-Kraftstofftanks
und der Dampfsperre sicherzustellen, ist es wichtig, die Dicke der
einzelnen Schichten der Mehrschichtstruktur und insbesondere der
Klebschichten und Sperrschichten sowohl von einem Tank zum nächsten als
auch an verschiedenen Stellen innerhalb eines einzelnen Tanks zu
ermitteln. Die kritischsten und schwierigsten Messbereiche befinden
sich hierbei an den Ecken, Rändern
und anderen Bereichen des Tanks, bei dem sich die Kontur der Mehrschichtwand
rasch verändert.
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Bislang
erforderte das Testen und Beurteilen von hergestellten Kunststoffkraftstofftanks
das Herausschneiden eines Querschnittes aus diversen Abschnitten
der Kraftstofftanks und das Vorbereiten eines jeden Schnittes zur
visuellen Inspektion unter einem Mikroskop, um die Dicke der verschiedenen Dichten
zu messen. Dies ist aufgrund der Zeit, die zum Herstellen und Inspizieren
der Probenschnitte des Kraftstofftanks erforderlich ist, und aufgrund
der Zer störung
des Kraftstofftanks sowie des bei der Durchführung eines solchen Test erzeugten
Abfalls unerwünscht.
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In
Patent Abstracts of Japan, Vol. 017, Nr. 609 (P-1640) und in der
JP 05 187856 A ist
ein Verfahren zum Messen der Dicke eines Harzlaminatkörpers, genauer
gesagt zum raschen und genauen Messen der Dicke einer jeden Schicht
eines Produktes, das aus einem Laminatkörper besteht, der sich aus
dünnen
Harzschichten mit ähnlichen
Zusammensetzungen zusammensetzt, ohne eine Zerstörung des Produktes offenbart.
Bei diesem Verfahren werden Ultraschallwellen mit einer ersten Frequenz von
4–6 MHz
und einer zweiten Frequenz von 10–20 MHz zum Laminatkörper, der
aus den Harzschichten besteht, gesendet. Nach dem Empfangen der
reflektierten Wellen wird die Zeit vom Senden bis zum Empfang der
Wellen für
jede Harzschicht in die Dicke einer jeden Harzschicht überführt.
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Die
US-A-5 038 615 beschreibt ein Verfahren zum Messen von Schichtdicken
einer Vielzahl von dünnen
Schichten, die durch Schichtgrenzflächen voneinander getrennt sind.
Dieses Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Senden von Ultraschallimpulsen
durch die Schichten, Empfangen von Echoimpulsen, die von den Schichtgrenzflächen reflektiert
werden, Ableiten von den Echoimpulsen aus einer Signalwellenform,
die charakteristische Echoimpulsformen offenbart, Ermitteln von
Zonen in der Signalwellenform, die vorhergesagten Positionen der
Schichtgrenzflächen
entsprechen, Anordnen von Kandidat-Coimpulsformen in einer der Zonen,
Gradieren der Kandidat-Echoimpulsformen, Auswählen von einer der Kandidat-Echoimpulsformen
mit dem besten Ergebnis und Speichern der Position derselben in
der Signalwellenform entsprechend der Lage von einer der Schichtgrenzflächen, Wiederholen
der Anordnungs-, Gradier- und Auswahlschritte für mindestens eine andere Zone,
um eine andere Kandidat-Echoimpulsform auszuwählen und die Position derselben
in der Signalwellenform entsprechend der Lage einer anderen Schichtgrenzfläche zu speichern,
und Ermitteln der Schichtdicke aus den gespeicherten Positionen
der ausgewählten
Kandidat-Coimpulsformen in benachbarten Zonen. Um die Dicke der
Anstrichschichten zum messen, findet eine sehr hohe Ultraschallgeberfrequenz
im Bereich von 125 MHz oder noch höher Verwendung. Dieses Verfahren
wird dazu eingesetzt, um nur die äußeren Anstrichschichten zu messen,
während
die Dicke der inneren Schicht oder Substratschicht hierdurch nicht
bestimmt wird.
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Ein
Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der Dicke von einzelnen
Schichten von unterschiedlichen Materialien in einer Mehrschichtstruktur
gemäß der vorliegenden
Erfindung sind in Anspruch 1 und in Anspruch 17 wiedergegeben. Weiterentwicklungen
und Modifikationen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Ein
zerstörungsfreies
Verfahren und eine zerstörungsfreie
Vorrichtung zum Bestimmen der Dicke von einzelnen Schichten von
unterschiedlichen Materialien in einer Mehrschichtstruktur, insbesondere
einem Mehrschicht-Kunststoffkraftstofftank, benutzen einen Ultraschallimpuls
mit konstanter Frequenz und relativ hoher Frequenz, der in die Mehrschichtstruktur
gesendet wird, und zeichnen die Zeiten auf, wenn Echos empfangen
werden, um die Dicke der einzelnen Schichten in der Mehrschichtstruktur
zu bestimmen. Ein Echoimpuls wird an der Grenzfläche zwischen benachbarten Schichten
von Materialien mit ausreichend unterschiedlicher Dichte oder einem
ausreichenden Brechungsindex erzeugt, so dass daher die Zeit zwischen
gesendeten Impulsen und Echoimpulsen von der Größe der Zeit abhängig ist,
die der Ultraschallimpuls benötigt,
um eine Materialschicht zu passieren. Die Dauer zwischen den gesendeten
und reflektierten Impulsen wird als Durchtrittszeit bezeichnet,
bei der es sich um die Zeit handelt, während der der gesendete Ultraschallfrequenzimpuls
ursprünglich
das Material durchdringt, und ferner um die Zeit, während der
der reflektierte Impuls zurück
zum Ultraschallgeber läuft.
Die Durchtrittszeit ist daher doppelt so hoch wie die Zeit, die
der Ultraschallimpuls benötigt,
um die Schicht zu durchlaufen. Daher kann die Dicke einer Schicht
in der Mehrschichtstruktur ohne weiteres als eine Hälfte der Durchtrittszeit
multipliziert mit der Schallgeschwindigkeit durch das Material,
das diese Schicht umfasst, berechnet werden.
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Bei
der vorliegenden Erfindung können
entweder Ultraschallgeber vom Tauchtyp oder vorzugsweise vom Kontakttyp
Verwendung finden, um den Ultraschallimpuls zu senden, der von einer
Impulsquelle erzeugt und dem Ultraschallgeber zugeführt wird.
Der Ultraschallgeber tastet ferner die reflektierten Impulse ab
und gibt diese an einen Impulsempfänger weiter, der die Impulse
in Abhängigkeit
von der Durchtrittszeit anzeigen kann, um eine manuelle Berechnung
der Schichtdicke zu ermöglichen.
Vorzugsweise ist ein Analog-Digital-Wandler
an den Impulsempfänger
geschaltet, um die Daten von den empfangenen reflektierten Impulsen
zu digitalisieren, so dass sie von einem Mikroprozessor analysiert werden
können,
der die Dickenberechnungen automatisch durchführt. Besonders bevorzugt handelt
es sich bei dem Mikroprozessor um einen Personalcomputer, und die
Impulsquelle, der Impulsempfänger und
der Analog-Digital-Wandler stellen Hardware-Komponenten des Personalcomputers
dar, die eine rasche, einfache, zuverlässige und effiziente Analyse
der Ergebnisse ermöglichen.
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Somit
sieht die vorliegende Erfindung ein zerstörungsfreies Verfahren und eine
zerstörungsfreie
Vorrichtung zum Bestimmen der Dicke von einzelnen Schichten in einer
Mehrschichtstruktur, wie einem Kunststoffkraftstofftank, vor, um
die Qualität
der Kraftstofftanks über
eine Produktionsstraße
von Tanks sicherzustellen. Die während
des Ultraschalltests gesammelten Daten können entweder manuell analysiert
oder automatisch über
einen Personalcomputer analysiert werden, so dass auf diese weise die
zur Durchführung
des Tests benötigte
Zeit stark verringert wird.
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Ziele,
Merkmale und Vorteile dieser Erfindung umfassen die Schaffung eines
Verfahrens und einer Vorrichtung zum Bestimmen der Dicke von einzelnen
Schichten einer Mehrschichtstruktur, die keine Zerstörung der
getesteten Kraftstofftanks benötigen,
die Dicke von einzelnen Schichten einer stark gekrümmten Mehrschichtstruktur
ermitteln können, weniger
Zeit benötigen
als zerstörende
Testverfahren, im wesentlichen automatisiert sind und zusammen mit
einem Personalcomputer verwendet werden können, relativ hohe Ultraschallfrequenzen
und eine hohe Samplingrate benutzen, um eine erhöhte Auflösung und Zuverlässigkeit
der erhaltenen Daten sicherzustellen, im Handel erhältliche
Hardware und Software sowie im Handel erhältliche Ultraschallgeber benutzen
können,
eine einzige Ultraschallfrequenz benutzen, gleichzeitig die Dicke
von mehreren Schichten bestimmen können, nicht von der relativen Dicke
von benachbarten Schichten abhängig
sind, zuverlässige
Daten liefern, eine relativ einfache Konstruktion besitzen und in
wirtschaftlicher Weise hergestellt werden können, einfach im Gebrauch sind und
schnelle und genaue Daten liefern, um dazu beizutragen, die Produktionsqualität von Mehrschicht-Kunststoffkraftstofftanks
zu verbessern.
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Diese
und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden deutlich
aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
und besten Verwirklichung, den nachfolgenden Patentansprüchen und
beigefügten Zeichnungen.
Hiervon zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines geformten Kunststoffkraftstofftanks;
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2 eine
Teilschnittansicht einer Mehrschicht-Kunststoffkraftstofftankwand;
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3 eine
schematische Ansicht, die eine Vorrichtung zum automatischen Behandeln
der Dicke von einzelnen Schichten der Mehrschichtstruktur gemäß dieser
Erfindung zeigt;
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4 eine
Darstellung von Ultraschallechoimpulsen oder reflektierten Impulsen,
die erfindungsgemäß erhalten
werden; und
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5 eine
Teilschnittansicht einer Mehrschicht-Kunststoffkraftstofftankwand und eines Tauch-Ultraschallgebers
benachbart zu dieser Wand.
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1 zeigt
einen geformten Mehrschicht-Kunststoffkraftstofftank 10,
wie er beispielsweise häufig
in der Automobilindustrie Verwendung findet. wie in 2 gezeigt,
besitzen die Wände 11 des
Kraftstofftanks 10 vorzugsweise eine Innenschicht 12 und
eine Außenschicht 14,
die hauptsächlich
aus Polyethylen geformt sind, sowie eine Zwischendampfsperrschicht 16,
die aus einem Copolymer, wie Ethylenvinylalkohol, geformt ist, um
die Permeation von Kraftstoffdampf durch den Kraftstofftank 10 zu
verringern. Die Tankwände 11 können durch Coextrudieren
der verschiedenen Schichten der unterschiedlichen Materialien geformt
sein. Diese Kunststoffkraftstofftanks 10 sind aufgrund
ihres geringen Gewichtes, ihres Korrosionswiderstandes und ihrer
einfachen Herstellung besonders wünschenswert.
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Wie
in 2 gezeigt, hat der Kraftstofftank 10 mehrere
Schichten, die umfassen: eine Außenschicht 14 aus
Polyethylen hoher Dichte (HDPE), in die auch etwas Ruß oder schwarzer
Farbstoff eingemischt sein kann, um für eine Färbung zu sorgen, eine Regenerat-Schicht 22 aus
HDPE, die aus regenerierten Abfallmaterialien von der Herstellung
der Kraftstofftanks 10 und/oder wiederverwertetem und regeneriertem
HDPE besteht, eine äußere Klebschicht 24,
die Dampfsperrschicht 16, eine innere Klebschicht 26 und
eine innere Schicht 12 aus jungfräulichem Polyethylen hoher Dichte.
Die Dampfsperrschicht 16 besteht vorzugsweise aus Ethylenvinylalkohol
(EVOH), und die Klebschichten können aus
einer großen
Vielzahl von Materialien bestehen, wobei ein gegenwärtiges Beispiel
unter der Marke ADMER von der Firma Evalca, Inc. vertrieben wird. Die
innere und äußere Klebschicht 24, 26 sind
erforderlich, um die benachbarten Schichten aus HDPE mit der Dampfsperrschicht 16 zu
verbinden und dadurch die strukturelle Integrität des Kraftstofftanks 10 zu
verbessern, die ausschlaggebend dafür ist, dass diverse Bruchwiderstandsspezifikationen
in der Automobilindustrie erreicht werden. Die Dampfsperrschicht 16 ist
erforderlich, um die Menge der Kohlenwasserstoffdämpfe zu
verringern, die durch die Kraftstofftankwände 11, welche hauptsächlich aus
HDPE bestehen, diffundieren oder entweichen. Die Außenschicht 14 und
die Regenerat-Schicht 22 besitzen im wesentlichen die gleiche
Zusammensetzung, so dass sie durch Ultraschallmessungen nicht voneinander
unterschieden werden können.
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Eine
typische Mehrschicht-Kunststoffkraftstofftankwand 11 hat
eine Dicke zwischen etwa 2,5 mm und 8 mm, wobei die optimale Gesamtwanddicke etwa
5 mm beträgt.
Nennwerte für
die einzelnen Schichten des Mehrschicht-Kunststoffkraftstofftanks 10 sind
wie folgt: die Außenschicht 14 und
die Regenerat-Schicht 22 machen zwischen etwa 40 und 50
% der Gesamtwanddicke aus, die äußere Klebschicht 24 umfasst
zwischen etwa 1 und 4 % der Gesamtwanddicke, die Dampfsperrschicht 16 macht
zwischen etwa 2 und 5 % der Gesamtwanddicke aus, die innere Klebschicht 26 macht
zwischen etwa 1 und 4 % der Gesamtwanddicke aus, und die Innenschicht 12 umfasst
zwischen etwa 40 und 50 % der Gesamt wanddicke. Diese Dickenbereiche
der einzelnen Schichten sind lediglich beispielhaft und können ohne
weiteres während
der Coextrusion der Kraftstofftankwände 11 während der
Herstellung der Kraftstofftanks 10 variiert werden.
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Über eine
Produktionsstraße
von Kraftstofftanks 10 muss die Dicke der einzelnen Schichten kontrolliert
werden, um ein optimales Betriebsverhalten und eine optimale Qualität des Kraftstofftanks 10 im
Gebrauch sicherzustellen. Die Dicke der Innenschicht 12 und
Außenschicht 14 aus
Polyethylen ist wichtig, da diese Schichten für den strukturellen Schutz
der Dampfsperrschicht 16 und auch für die strukturelle Integrität des Kraftstofftanks 10 selbst sorgen.
Die Dicke der Klebschichten 24, 26 ist wichtig,
um eine angemessene Befestigung zwischen den benachbarten Schichten
aus HDPE und der Dampfsperrschicht 16 zu erreichen. Schließlich ist
die Dicke der Dampfsperrschicht 16 wichtig, um die Permeation
von Kohlenwasserstoffdämpfen
durch den Kraftstofftank 10 in die Atmosphäre zu verhindern.
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3 zeigt
eine Vorrichtung 30, bei der ein Ultraschallverfahren Anwendung
findet, um die Dicke der einzelnen Schichten des Mehrschicht-Kunststoffkraftstofftanks 10 zu
ermitteln. Die Vorrichtung 30 besitzt eine Impulsquelle 32,
einen Impulsempfänger 34 und
einen Ultraschallgeber 36, der mit der Impulsquelle 32 und
dem Impulsempfänger 34 in
Verbindung steht. Die Impulsquelle 32 erzeugt ein elektrisches
Signal, das intermittierend den Ultraschallgeber 36 mit
einer bekannten konstanten Frequenz in Schwingungen versetzt, um
einen Ultraschallimpuls in den Mehrschicht-Kunststoffkraftstofftank 10 zu senden,
woraufhin Echos oder re flektierte Impulse an den Grenzflächen der
unterschiedlichen Schichten im Kraftstofftank 10 erzeugt
werden. Die reflektierten Impulse werden zum Ultraschallgeber 36 zurückgeführt und
vibrieren, wobei diese Vibrationen dem Impulsempfänger 34 als
elektrische Impulse zugeführt werden,
die aufgezeichnet werden und die Bestimmung der Dicke der einzelnen
Schichten des Kraftstofftanks 10 ermöglichen. Vorzugsweise ist ein
Analog-Digital-Wandler 36 an den Impulsempfänger 34 geschaltet,
um die empfangenen Impulse in Digitalform umzuwandeln, wodurch diese
automatisch von einem Mikroprozessor, wie einem Personalcomputer 40,
verarbeitet werden können.
Besonders bevorzugt wird, dass es sich bei der Impulsquelle 32,
dem Impulsempfänger 34 und
dem Analog-Digital-Wandler 38 um im Handel erhältliche
Hardware-Komponenten für
einen Personalcomputer 40 handelt, die ohne weiteres mit
dem Computer 40 in Verbindung gebracht werden können. Auch
kann vorzugsweise der Personalcomputer 40 mit Software
versehen sein, die in der Lage ist, die aufgezeichneten Daten der
Ultraschalldurchgänge
zu interpretieren, um automatisch die empfangenen Daten in die Dicken
der verschiedenen Schichten umzuwandeln. Gegenwärtig erhältliche Hardware-Komponenten
umfassen eine Kombination aus einer Impulsquelle 32 und
einem Impulsempfänger 34,
die unter dem Namen Matec SR9000 series vertrieben wird, und einen
STR8100 series Analog-Digital-Wandler 38, bei denen es
sich um ISA-Karten handelt, die als Teil des Personalcomputers 40 installiert
werden können.
Die ISA-Karten sind im Handel erhältlich von der Firma Matec
Instruments, Inc., 56 Hudson Street, Northborough, MA 01532, USA.
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Der
Ultraschallgeber 36 ist vorzugsweise vom Kontakttyp, der
die Außenfläche des
Kraftstofftanks 10 direkt kontaktiert. Ein flüssiges Medium,
wie Wasser 37, ist bei dem Ultraschallgeber vom Kontakttyp
erforderlich, um jegliche Luft von der Grenzfläche zwischen der Übertragungsfläche des
Ultraschallgebers und der Kraftstofftankoberfläche zu entfernen. Wie in 5 gezeigt,
kann der Ultraschallgeber 36' jedoch
auch vom Tauchtyp sein, der die Ultraschallimpulse durch ein flüssiges Kopplungsmedium, wie Öl 39, sendet
und diese über
eine Linse auf die Tankwand 11 ohne physikalische Lagerung
am Tank aufbringt.
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Mit
einem Tauch-Ultraschallgeber wird der Ultraschallimpuls üblicherweise
auf die Tankwand fokussiert, indem die Distanz hierzwischen variiert
wird. Der Ultraschallgeber vom Kontakttyp wird bevorzugt, da er
für eine
bessere Auflösung
sorgt, wenn gekrümmte
Fläche
gemessen werden, wie beispielsweise eine Kurve benachbart zu den
Ecken und Rändern
des Kraftstofftanks. Ferner muss hierbei der Ultraschallgeber nicht
fokussiert werden, was bei einem Ultraschallgeber vom Tauchtyp der
Fall ist. Ein geeigneter Kontakt-Ultraschallgeber 36 ist
erhältlich von
der Firma Technisonic Research, Inc., 777 Commerce Drive, Fairfield,
CT 06432, USA.
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Es
können
Ultraschallgeber 36 verwendet werden, die mit unterschiedlichen
konstanten Frequenzen arbeiten, um ein Signal mit einer Auflösung vorzusehen,
die für
die spezielle zu messende Mehrschicht-Struktur optimiert ist. Empirische
Daten haben gezeigt, dass für
einen typischen Kunststoffkraftstofftank 10 mit einzelnen
Schichten der vorstehend beschriebenen Materialien und Dicken mit
einer Gesamtdicke von etwa 5 mm die optimale Frequenz etwa 15 MHz
beträgt.
Mit dieser Frequenz wird eine starke Auflösung des Signals erhalten,
was für
eine gute Definition einer jeden einzelnen Schicht sowie der Dicke
der Gesamtwand 11 sorgt. Generell gilt, dass die Auflösung des
Signals um so größer ist,
je höher
die Frequenz ist. Höhere
Frequenzen werden jedoch in HDPE rascher gedämpft als niedrige Frequenzen.
Dies beschränkt
den Einsatz von höheren Frequenzen
stark, wobei ein optimaler Frequenzbereich, der durch Versuche ermittelt
wurde, zwischen etwa 10 MHz und 20 MH7 liegt. Um die Ergebnisse genauer
aufzuzeichnen, besitzt der Impulsempfänger 34 vorzugsweise
eine hohe Samplingrate, die vorzugsweise in einem Bereich von etwa
100 MHz liegt. Hierdurch wird eine Vielzahl von Datenpunkten erhalten,
die für
eine genauere Wiedergabe der reflektierten Impulse über die
Zeit sorgen.
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Im
Gebrauch ordnet der Benutzer den Ultraschallgeber 36 auf
dem gewünschten
Abschnitt des zu messenden Kraftstofftanks 10 an, woraufhin
die Impulsquelle 32 ein elektrisches Signal erzeugt, das den
Ultraschallgeber 36. mit der gewünschten Frequenz in Schwingungen
versetzt. Der Benutzer friert das Signal ein, indem er einen Schalter 42 (wie
beispielsweise eine Computermaus), der am Personalcomputer 40 befestigt
ist, betätigt,
wodurch ein kurzer Ultraschallimpuls im Ultraschallgeber 36 erzeugt
und in die Wand 11 des Kunststoffkraftstofftanks 10 übertragen
wird. Wenn sich der Ultraschallimpuls durch die Mehrschichtstruktur
der wand 11 bewegt, finden Reflexionen an jeder Grenzfläche zwischen
Materialien statt, die eine unterschiedliche Dichte oder einen unterschiedlichen
Brechungsindex besitzen. Die Reflexionen oder reflektierten Impulse
werden zum Ultraschallgeber 36 zurückgeführt, wo sie vom Impulsempfänger 34 in
Abhängigkeit
von der Empfangszeit aufgezeichnet werden. Wie in 4 gezeigt,
kann eine Darstellung der reflektierten Impulse über die Zeit erzeugt werden,
die manuell analysiert werden kann, um die Dicke der einzelnen Schichten
und die Gesamtdicke der Kraftstofftankwand 11 zu bestimmen.
Vorzugsweise analysiert ein Computersoftwareprogramm die aufgezeichneten
Daten und wandelt diese Daten automatisch in die entsprechende Dicke
der einzelnen Schichten um.
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Auf
empirische Weise können
die einzelnen Peaks der Darstellung der 4 mit den
Grenzflächen
der verschiedenen Schichten im Kraftstofftank 10 korreliert
werden. Beispielsweise gibt ein erster Peak 50 die Außenfläche 52 des
Kraftstofftanks 10 wieder. Ein zweiter Peak 54 kennzeichnet
die Grenzfläche 56 zwischen
der Regenerat-Schicht 22 und der äußeren Klebschicht 24 (wie
vorher erläutert,
ist die Grenzfläche
zwischen der Außenschicht 14 aus Polyethylen
und der Regenerat-Schicht 22 durch Ultraschallmessung nicht
ermittelbar). Ein dritter Peak 58 gibt die Grenzfläche 60 zwischen
der äußeren Klebschicht 24 und
der Dampfsperrschicht 16 wieder. Ein vierter Peak 62 kennzeichnet
die Grenzfläche 64 zwischen
der Dampfsperrschicht 16 und der inneren Klebschicht 26.
Ein fünfter
Peak 66 kennzeichnet die Grenzfläche 68 zwischen der
inneren Klebschicht 26 und der Innenschicht 12 aus
Polyethylen. Schließlich gibt
ein sechster Peak 70 die Innenfläche 72 der Kraftstofftankwand 11 wieder.
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Die
Zeit zwischen den diversen Peaks kennzeichnet die Durchtrittszeit
des Ultraschallsignals durch die entsprechende Materialschicht.
Die Durchtrittszeit ist die Zeit für: (1) den erzeugten Ultraschallimpuls,
der sich durch die Schicht bewegt, und (2) die Zeit für den reflektierten
Impuls, der durch diese Materialschicht zurückkehrt. Somit entspricht die Durchtrittszeit
dem doppelten Wert der Zeit, die für einen Ultraschallimpuls einer
vorgegebenen Frequenz erforderlich ist, um sich durch die entsprechenden Materialschicht
zu bewegen. Daher kann die Dicke einer einzelnen Schicht im Mehrschicht-Kunststoffkraftstofftank 10 berechnet
werden, indem die Hälfte der
Durchtrittszeit mit der durchschnittlichen Schallgeschwindigkeit
in diesem Material multipliziert wird. Diese Berechnung kann in
einfacher weise entweder manuell oder automatisch über einen
Mikroprozessor, wie dem Personalcomputer 40, durchgeführt werden.
In entsprechender Weise kann die Gesamtdicke der gesamten Wand 11 berechnet
werden.
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Vorzugsweise
wird die Schallgeschwindigkeit in jedem Material empirisch ermittelt,
indem die Vorrichtung 30 selbst benutzt und unter Verwendung einer
separaten Probe bekannter Dicke eines jeden Materiales für jede Schicht
der Wand kalibriert wird. Falls gewünscht, können jedoch auch veröffentlichte Standardwerte
der Schallgeschwindigkeit in jedem Material benutzt und in das Computerprogramm
eingegeben werden, um die Dicke einer jeden Materialschicht zu berechnen.
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Es
wurde empirisch ermittelt, dass bei einer Mehrschichtwand, wie der
Tankwand 11, der Beginn oder die in Kontakt mit dem Ultraschallgeber 30 stehende
Außenfläche 52 immer
durch eine Dreipeak-Wellenform 80 gekennzeichnet ist, wie
in 4 gezeigt, wobei der dritte Peak 50 die
Außenfläche 52 kennzeichnet,
während
die letzte oder innerste Fläche
der Wand immer durch eine Zweipeak-Wellenform 82 gekennzeichnet
ist, wobei der erste Peak 70 die innerste Fläche 72 wiedergibt,
bei der es sich um die Grenzfläche
zwischen dem HDPE-Material und der atmosphärischen Luft im leeren Kraftstofftank handelt.
Wenn man sich von beiden Enden nach innen bewegt, so kennzeichnet
der Peak mit der höchsten
Amplitude 58 die Grenzfläche 60 zwischen der äußeren Klebschicht 24 und
der Dampfsperrschicht 16. Wenn man sich in beiden Richtungen
von diesem Peak 58 nach außen bewegt, so entsprechen die
nächsten
Peaks mit signifikanter Größe 54 und 62 den
Grenzflächen 56 und 64.
Wie gezeigt, hat der Peak 62 eine negative Größe infolge
der Materialänderung
an der Grenzfläche 64 vom
Material der Schicht 16 mit höherer Schallgeschwindigkeit
zum Material der Schicht 26 mit niedrigerer Schallgeschwindigkeit.
Schließlich
wird die Grenzfläche 68, die
die Grenzfläche
zwischen der inneren Klebschicht 26 und der inneren HDPE-Schicht 12 bildet, durch
Auswahl des nächsten
Peaks signifikanter Größe 66 zwischen
den Peaks 62 und 70 lokalisiert.
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Diese
charakteristische Wellenform ermöglicht
eine automatisierte Computeranalyse unter Verwendung von geeigneter
Software zur Ermittlung eines jeden Peaks 50, 54, 58, 66 und 70 und
des interessierenden Tales oder Peaks mit negativer Größe 62 sowie
die Durchführung
von Berechnungen zur Bestimmung der tatsächlichen Dicke einer jeden
Materialschicht 22, 24, 16, 26 und 12 der
Mehrschichtwand 11. Diese Erkennung der Wellenform und
Berechnung der Dicke einer jeden Schicht kann durchgeführt werden,
indem ein von der Firma Lab View Software entwickeltes Programm
und ein geeigneter Personalcomputer verwendet werden. Diese Lab View
Software ist von der Firma National Instruments Company, 6504 Bridge
Point Parkway, Austin, Texas 78730-5039 erhältlich.
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Somit
benutzt die Vorrichtung 30 ein einfaches Verfahren unter
Verwendung eines Ultraschallsignals zur Bestimmung der Dicke der
einzelnen Schichten der Mehrschichtstruktur, wie eines Mehrschicht-Kunststoffkraftstofftanks 10.
Das verwendete Signal besitzt eine konstante und relativ hohe Frequenz,
die Daten mit hoher Auflösung
und Genauigkeit liefert. Bei dem Verfahren und der Vorrichtung 30 finden
im Handel erhältliche
Komponenten Verwendung, die ohne weiteres zusammen mit einem Personalcomputer 40 eingesetzt
werden, um die Daten automatisch zu analysieren und die Ergebnisse
zu berechnen. Ferner ist dieses Verfahren zerstörungsfrei und benötigt wesentlich
weniger Zeit und intensive Arbeit als bekannte Verfahren. Es ermöglicht eine verbesserte
Qualitätskontrolle
bei der Herstellung von Kraftstofftanks 10.