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Entwicklung eines luftgekoppelten Ultraschall-Echo-Prüfverfahrens mittels fluidischer Anregung
(2019)
In vielen technischen Bereichen werden Ultraschallverfahren zur zer-störungsfreien Werkstoffprüfung eingesetzt. Dabei wird ein Schallpuls von einem Prüfkopf in ein Prüfobjekt eingebracht. Der Puls kann unter anderem durch Membra-nen oder Piezoelemente erzeugt werden und wird in der Regel durch direkten Kontakt oder über ein Koppelmittel an das Objekt übertragen. Luftgekoppelter Ultraschall spielt in kommerziellen Anwendungen bisher eine untergeordnete Rolle, da die Dif-ferenz der akustischen Impedanzen von Luft und Festkörpern immense Verluste beim Übergang des Schallsignals hervorruft.
In diesem Beitrag soll ein neuartiges Anregungsprinzip vorgestellt werden, mit dem ein Großteil dieser Verluste vermieden wird. Anstelle eines Festkörpers soll mit Hilfe einer fluidischen Düse Druckluft zur Signalerzeugung eingesetzt werden. In die-ser Düse wird eine selbsterhaltende Strömungsinstabilität erzeugt, die einen Schall-puls von bis zu 100 kHz hervorruft, sodass der Impedanzverlust in die Umgebungsluft entfällt. Da die charakteristische Frequenz eines fluidisch generierten Pulses maßgeb-lich von der Bauform der Düse und dem anliegenden Druck abhängt, lässt sich mittels einer geeigneten Strömungsregelung ein breiter Frequenzbereich zur Abtastung nut-zen. Die so emittierten Pulse werden auf das Prüfobjekt gerichtet und die reflektierten Signale mit einem Laservibrometer an der Oberfläche des Objekts im Echo-Verfahren abgetastet. Von drei signalmindernden Materialübergängen bei gewöhnlichem luftge-koppeltem Ultraschall bleibt in dem hier vorgeschlagenen Messystem lediglich die Grenzfläche von Luft zu Prüfkörper, sodass eine höhere Signalausbeute als bisher er-wartet werden kann.
Increasing traffic volume on the one hand and ageing infrastructure on the other hand have created many new challenges for maintenance and structural health monitoring of roads and bridges. In the past, many bridges and road structures have been neglected, often resulting in traffic congestion, road closure, and increased repair costs.
This research is concerned with the development of a system to improve the challenge of maintenance and early detection of damage, particularly moisture penetration and corrosion of steel reinforced concrete components. The objective is to develop a method that will also work after 30 years and longer. Many new IoT solutions are equipped with internal energy storage elements (accumulators or batteries) which are inappropriate here, since most relevant signs of concrete degradation occur after decades, where the functioning of such elements are more than questionable. The presented technology approach uses radio-frequency identification (RFID) and enables connectivity to sensors. It offers the advantage of an passive, completely independent energy supply without any energy storage components.
Since the system should be permanently embedded in concrete, it is crucial to develop a long-term stable device which is adapted to the environmental influences of the structure, e.g., long-term resistance in very alkaline environment of pH 13. In numerous experiments, the robustness of the system was tested and evaluated. Various tests with encapsulations to protect the electronics were performed, and for long-term validation different concrete specimens were instrumented with RFID-sensor-systems. Their operating time is now around two years and investigations for signs of fatigue and damage to the encapsulation and the electronics are ongoing.
NMR is gaining increasing interest in civil engineering applications for the use of microstructure characterization as e.g. pore size determination and monitoring of moisture transport in porous materials. In this study, the use of NMR as a tool for pore size characterization was investigated. For our study we used screed and synthetic materials at partial and full saturation. A successful determination could be achieved when having a reference or calibration method, although partly diffusion effects have been registered. Due to these diffusion effects, for the determination of pore size distributions of synthetic materials another NMR device was needed. Finally, the determination of the surface relaxivity of screed (50 μm/s) led to a higher value than first expected from literature.
Ultrasonic methods are used in concrete investigations since decades. While being limited to transmission testing in the laboratory for a while, in-situ echo measurements for structural investigations and condition assessment have made their way into practical application in the past 20 years. However, several challenges remain. On one side, there are technical issues as limitations in depth of penetration, resolution and imaging capabilities. On the other side there are still gaps in validation, standardization and certification, which are limiting the applicability in condition/load capacity assessment.
This review reports a couple of developments which will help to overcome these issues. This includes technical developments as new devices which are easier to handle on site or giving a much deeper penetration depth (e.g. the LAUS device at BAM) as well as improvements in imaging by hardware update (e. g. air coupled ultrasound or coded signals) or new software (e. g. RTM imaging). To foster the application in real world projects we are as well working on standardization by developing new reference specimen with international partners which will ensure world-wide comparability of ultrasonic and other methods and quality assurance codes. Further, non-destructive methods are being used to update probabilistic models used for the reassessment of existing structures to support the structural engineer’s decisions.
Ultraschallmessverfahren werden seit Langem erfolgreich für Prüfaufgaben im Bauwesen eingesetzt. Die dauerhafte Überwachung und frühzeitige Erkennung von Schäden an komplexen Neubauten und alternder Infrastruktur kann mittels Ultraschall-Transmissionsmessungen und speziellen Auswertemethoden, wie z. B. Korrelationverfahren und Codawelleninterferometrie, realisiert werden. Für die Dauerüberwachung wurde ein kompaktes System entwickelt, das Ultraschall-Messdaten erfassen und ins Internet auf einen FTP-Server übertragen kann. Es können hierbei alle angeschlossenen Prüfköpfe für jede Messung wahlweise als Sender oder Empfänger geschaltet werden. Es wurden Vorverstärker entwickelt, bei denen die Versorgung mit Strom über die Messleitung erfolgt. Dadurch können die Verstärker nahe am Prüfkopf positioniert werden. Durch Änderungen in den Ultraschall-Signalen können Schädigungen des Bauteils, wie z.B. Risse, in Echtzeit erkannt werden.
Zur Versiegelung von Endlagern für radioaktive oder chemische Abfälle in ehemaligen Salzbergwerken werden Verschlussbauwerke aus Salzbeton auf ihre Eignung geprüft. Seit einigen Jahren werden durch die Bundesgesellschaft Endlagerung (BGE) und der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) an Versuchsbauwerken Erfahrungen mit der Ultraschalltechnik zur Qualitätssicherung unter Tage gesammelt. Hierbei kommen sowohl kommerzielle und experimentelle Geräte zur Echoprüfung als auch eigens entwickelte Bohrlochsonden zum Einsatz. Alle Geräte basieren auf niederfrequenten s-Wellen-Punktkontaktprüfköpfen (25 kHz– 50 kHz), die in unterschiedlichen Arrays kombiniert werden. In mehreren Versuchsreihen gelang es, unverfüllte und teilverfüllte Risse über mehrere Meter zu verfolgen und in ihrer Lage abzubilden. Technische Einbauten konnten bis in ca. 8 m Tiefe im Bauwerk detektiert werden. Mit Hilfe aus der Geophysik adaptierte Abbildungsverfahren gelang es, einige bisher nicht detektierbare Features sichtbar zu machen.
Die Ergebnisse dienen sowohl der Analyse des Versuchsbauwerks als auch der Entwicklung eines Qualitätssicherungssystems für zukünftige reale Verschlussbauwerke.
Entwicklung eines luftgekoppelten Ultra-schall-Echo-Prüfverfahrens mittels fluidischer Anregung
(2019)
In vielen technischen Bereichen werden Ultraschallverfahren zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung eingesetzt. Dabei wird ein Schallpuls von einem Prüfkopf in ein Prüfobjekt eingebracht. Der Puls kann unter anderem durch Membranen oder Pie-zoelemente erzeugt werden und wird in der Regel durch direkten Kontakt oder über ein Koppelmittel an das Objekt übertragen. Luftgekoppelter Ultraschall spielt in kommerziellen Anwendungen bisher eine untergeordnete Rolle, da die Differenz der akustischen Impedanzen von Luft und Festkörpern immense Verluste beim Über-gang des Schallsignals hervorruft.
In diesem Beitrag soll ein neuartiges Anregungsprinzip vorgestellt werden, mit dem ein Großteil dieser Verluste vermieden wird. Anstelle eines Festkörpers soll mit Hilfe einer fluidischen Düse Druckluft zur Signalerzeugung eingesetzt werden. In dieser Düse wird eine selbsterhaltende Strömungsinstabilität erzeugt, die einen Schallpuls von bis zu 100 kHz hervorruft, sodass der Impedanzverlust in die Umge-bungsluft entfällt. Da die charakteristische Frequenz eines fluidisch generierten Pul-ses maßgeblich von der Bauform der Düse und dem anliegenden Druck abhängt, lässt sich mittels einer geeigneten Strömungsregelung ein breiter Frequenzbereich zur Abtastung nutzen. Die so emittierten Pulse werden auf das Prüfobjekt gerichtet und die reflektierten Signale mit einem Laservibrometer an der Oberfläche des Objekts im Echo-Verfahren abgetastet. Von drei signalmindernden Materialübergängen bei gewöhnlichem luftgekoppeltem Ultraschall bleibt in dem hier vorgeschlagenen Mes-system lediglich die Grenzfläche von Luft zu Prüfkörper, sodass eine höhere Signal-ausbeute als bisher erwartet werden kann.
In civil engineering, many structures are made of reinforced concrete. Most Degradation processes relevant to this material, e.g., corrosion, are related to an increased level of material moisture.
Therefore, moisture monitoring in reinforced concrete is regarded as a crucial method for structural health monitoring. In this study, passive radio frequency identification (RFID)-based sensors are embedded into the concrete. They are well suited for long-term operation over decades and are well protected against harsh environmental conditions. The energy supply and the data transfer of the humidity sensors are provided by RFID. The sensor casing materials are optimised to withstand the high alkaline environment in concrete, having pH values of more than 12. Membrane materials are also investigated to identify materials capable of enabling water vapour transport from the porous cement matrix to the embedded humidity sensor. By measuring the corresponding relative humidity with embedded passive RFID-based sensors, the cement hydration is monitored for 170 days.
Moreover, long-term moisture monitoring is performed for more than 1000 days. The Experiments show that embedded passive RFID-based sensors are highly suitable for long-term structural health monitoring in civil engineering.