[发明专利]用于超声确定材料的动态弹性模量的装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及使用声波，优选是穿透材料并被连续测量和分析的超声波来确定材料的动态弹性模量，所述材料诸如包含聚合物、或者陶瓷、或者像水泥或石膏等的矿物粘结剂，特别是诸如灰浆、混凝土，特别是喷射混凝土。特别地，本发明涉及一种设备、测量装置以及使用该设备来确定材料的动态弹性模量的方法。

背景技术

测量包含矿物粘结剂和聚合物的材料的材料性质的经典工具例如有维卡测试、透度计、流变仪、针穿刺或者购自Instron的压缩测试设备。但是这些工具不能用来监测所选材料性质的完整时间演变。

用来测量矿物粘结剂的材料性质的超声分析方法是已知的。US5,412,990公开了使用声学剪切波信号来确定水泥浆的凝结时间的方法和设备。US6,655,213公开了使用超声波来检查固化和/或硬化材料的方法。

用来表征材料的流变性质和力学性质的现有超声装置在高频的窄范围内操作。这种途径只对于均匀的弹性材料是满意的。在具有超声响应不同于基体的气泡、裂纹和/或内含物的材料中，材料的响应可能变得更加复杂。特别地，在没有特殊校正的情况下通常不能获得真实的基本材料性质。

已知装置的主要缺点是，它们只能在窄的频率范围内使用，而材料的动态弹性性质极大地取决于激发频率。另外，本领域已知的装置是笨重的，具有高的能耗并因此不适于现场测量。此外，现有装置不提供材料性质的直接显示并且依赖于测量之后的数据处理，而这是耗时的。此外，现存装置具有高的信噪比。因此，日益需要一种能够追踪材料的动态弹性模量的直接时间演变的无损技术以及提供高度便携性和用户友好性的设备。

发明内容

因此，本发明的一个目的是，提供一种设备和测试方法在工业中的可靠使用，并且允许容易、连续、无损且非侵入性地监测材料，如矿物粘结剂或聚合物的动态弹性模量，并且特别是量化包含矿物粘结剂(如水泥)的材料，例如混凝土，特别是喷射混凝土等在从早期到远在矿物粘结剂凝结之后的流变和力学演变，并且特别是提供从测量到显示材料性质的短响应时间，这允许快速分析硬化的材料，例如喷射混凝土应用。因此，本发明的一个目的是，提供一种与现有装置相比具有改善的信噪比，并且允许通过在宽的频率范围，包括从次声波到超声波的频率范围内进行的声音传播方法来表征材料的设备和方法。这与现有超声装置形成对比，并且对于所有粘弹性材料以及包含例如气泡、骨料和孔隙的内含物的材料是重要的。

本发明的进一步目的是一种用于直接和完全处理测量的信号以便实时显示确定的材料性质的方法和装置。

另外，本发明的一个目的是提供一种具有低功耗的用于现场测量的小型便携式设备。

根据本发明，这通过独立权利要求的特征来实现。此外，从从属权利要求中显现出本发明进一步有利实施方案。

本发明的设备、装置和方法可以用于确定矿物粘结剂以及聚合物，特别是反应性聚合物或低聚物以及它们的固化产物的动态弹性模量。特别地，该方法尤其适于实时监测固化。本发明的设备、装置和方法还可以用作控制原材料、中间和最终产品的质量的工具。它可以用作质量控制或工艺控制工具。

本发明提供了通过声波来确定材料样本的动态弹性模量的设备，包含：(a)具有用于声学耦合材料样本与至少一个变换器的部件的测量装置，所述变换器优选地通过电缆连接与(b)卡耦合，所述卡包含：(i)用于接收并处理从所述变换器接收的响应信号的部件，和(ii)用于产生宽频率范围上的高压信号的部件，所述部件包含低压频率可调电子振荡器、信号发生器、电子开关、高压宽带放大器以及可选电子存储器，其中，所述高压宽带放大器包含至少一个具有初级和次级绕组的无芯变压器或者连接到所述变压器，其中，所述次级绕组与所述至少一个变换器连接。在一个优选的实施方案中，高压宽带放大器包含至少一个变压器。在另一个实施方案中，所述至少一个变压器与高压宽带放大器分离或者在其外面，优选地甚至与卡分离或者在其外面，以及高压宽带放大器与所述至少一个变压器的初级绕组连接。在该实施方案中，一个以上的卡可以与至少一个，优选地一个以上的变压器连接。在一个优选的实施方案中，所述至少一个无芯变压器是平面变压器，优选地包含平面绕组。因此，本发明的设备优选包含平面无芯变压器。