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Anwendung der Reverse-Time Migration auf Ultraschall-Echo-Messungen in der zerstörungsfreien Prüfung
(2012)
Ultrasonic echo testing is a more and more frequently used technique in civil engineering to investigate concrete building elements, to measure thickness as well as to locate and characterise built-in components or inhomogeneities. Currently the Synthetic Aperture Focusing Technique (SAFT), which is closely related to Kirchhoff migration, is used in most cases for imaging. However, this method is known to have difficulties to image steeply dipping interfaces as well as lower boundaries of tubes, voids or similar objects. We have transferred a processing technique from geophysics, the Reverse Time Migration (RTM) method, to improve the imaging of complicated geometries. By using the information from wide angle reflections as well as from multiple events there are fewer limitations compared to SAFT. As a drawback the required computing power is significantly higher compared to the techniques currently used. Synthetic experiments have been performed on polyamide and concrete specimens to show the improvements compared to SAFT. We have been able to image vertical interfaces of step-like structures as well as the lower boundaries of circular objects. It has been shown that RTM is a step forward for ultrasonic testing in civil engineering.
Ultraschall-Echo-Messungen dienen im Bauwesen zur Dickenbestimmung von Bauteilen sowie der Lokalisierung und Charakterisierung von Einbauteilen, Einlagerungen und anderen Inhomogenitäten. Zur Rekonstruktion werden bisher Abbildungsverfahren wie z.B. 3D-SAFT genutzt. Diese setzen aber voraus, dass direkte Reflexionen am Abbildungsobjekt erfolgen. Deshalb können keine zuverlässigen Aussagen über den Durchmesser von eingebauten Spannkanälen oder z. B. Seitenkanten von Objekten getroffen werden.
Ziel laufender Forschungsarbeiten ist es, die Abbildungsqualität zu verbessern.
Mit der aus der Geophysik stammenden Reverse Time Migration, die bereits häufig in der Erdölexploration genutzt wird, lassen sich auch steilere Strukturen über 70° abbilden und somit auch die Unterseite von Einbauten oder Stufen in Bauteilen darstellen.
Um die Leistungsfähigkeit des Algorithmus für die zerstörungsfreie Prüfung zu untersuchen, wurden verschiedene Simulationsrechnungen durchgeführt. Dabei wurden typische Prüfprobleme unterschiedlicher Komplexität zunächst in Polyamid nachgestellt. Die Schwerpunkte lagen bei der Darstellung senkrechter Grenzflächen und Hohlstellen. Die Rechnungen dienten neben der Evaluierung und Optimierung des Verfahrens auch der Planung von Experimenten an Probekörpern mit verschiedenen Einbauten.
Die Simulationsergebnisse wurden an einem dem synthetischen Modell entsprechenden Polyamidprobekörper überprüft, an dem rauscharme Ultraschalldaten aufgenommen werden konnten. In einer Messreihe wurde in den Probekörper eine Bohrung eingebracht und schrittweise vergrößert. Mit diesen Messungen konnte die Leistungsfähigkeit der Reverse Time Migration auch an realen Ultraschalldaten nachgewiesen werden. Untersuchungen mit an Beton aufgenommenen Ultraschalldaten werden folgen.
Inhalt ist die zerstörungsfreie Detailuntersuchung von Holzbauteilen mit einem dreidimensional abbildenden Ultraschall-Echoverfahren. Das neu entwickelte 3D-Verfahren berücksichtigt den anisotropen Aufbau des Holzes. Die Bildschnitte und Projektionen werden aus flächigen Ultraschallaufnahmen berechnet. Die Messungen erfolgen an Probekörpern sowie an Bauteilen aus der Praxis. In dem Forschungsvorhaben wird die für Holz neue 3D-Rekonstruktionsrechnung verwendet und mit dem Ziel weiterentwickelt, unter Berücksichtigung der anisotropen Struktur des Holzes eine dreidimensional aufgelöste Abbildung von Reflektoren im Inneren der Holzbauteile zu ermöglichen. Damit werden die bisher für Holzbauteile zur Verfügung stehenden Verfahren entscheidend ergänzt, weil nun eine hochgenaue dreidimensionale Abbildung erreichbar ist (Auflösung: 20 mm und besser).
Ultraschall-Transmissionsmessungen werden seit Jahrzehnten bei der Qualitätssicherung von Betonkonstruktionen eingesetzt. Aus den Wellengeschwindigkeiten lassen sich dynamische Elastizitätsmoduln und – nach lokaler Kalibrierung – auch Druckfestigkeiten ermitteln. Zudem ergeben sich Hinweise auf Risse und andere Materialschwächungen. Der Einsatz erfolgt vor allem im Labor oder an der Bauwerksoberfläche. Neuerdings werden auch Monitoringsysteme mit eingebetteten Sensoren auf Ultraschallbasis erfolgreich getestet. Die Talsperre Eibenstock dient als größte Sperre in Sachsen der Trinkwasserversorgung und dem Hochwasserschutz. Hier wurden während der Bauphase im Jahr 1979 im Fußbereich des Mauerkörpers Ultraschallsensoren eingebracht, die in Verbindung mit einem Messoszilloskop eine Überwachung der Erhärtung des Mauerbetons ermöglichten.
Der für die Sensorauswahl eingesetzte Messstellenumschalter wurde im September 2011 grundlegend instand gesetzt. Danach zeigte sich, dass die eingebetteten Sensoren selbst sowie die Verkabelung auch nach über fünfunddreißig Jahren in einwandfreiem Zustand sind. Eine nunmehr aufgelegte Messserie mit modernem Gerät von über einem Jahr mit ein- bis zweimonatigen Intervallen zeigte, dass die Wellengeschwindigkeit seit der Bauphase noch einmal um gut 10 % zugenommen hat, was für eine erhöhte Druckfestigkeit spricht. Innerhalb des Jahres zeigten sich auch bei Einsatz neuer, sehr sensibler Auswertemethoden (sog. Codawelleninterferometrie) nur geringfügige Schwankungen. Diese waren auch nicht zu erwarten, da sich die Füllhöhe zu den Messzeitpunkten nur gering unterschied, die Temperatur im Bauwerksinneren nur wenig schwankte und der Bauwerkszustand sehr gut ist.
Die Aussagen zur Betongüte sind direkt vergleichbar mit den früheren Mess- und Untersuchungsergebnissen an der Talsperre Gottleuba, die im gleichen Zeitraum errichtet wurde und ebenfalls mit einem Ultraschallsystem ausgerüstet war. Die Experimente zeigten, dass ein Einsatz von Ultraschallsystemen für die Bauwerksüberwachung auch über Jahrzehnte möglich ist. Dies war im vorliegenden Fall nie geplant, aber durch den Einsatz der Mitarbeiter vor Ort und der Herstellerfirma möglich. Bei zukünftigen Systemen ist eine langfristige Planung unter Einbeziehung aller Beteiligten sowie eine Einbindung in Überwachungs- und Wartungspläne notwendig, damit die qualitätsgesichert gewonnen Daten gewinnbringend genutzt werden können.
Nuclear magnetic resonance (NMR) is a well established laboratory / borehole method to characterize the storage and transport properties of rocks due to its direct sensitivity to the corresponding pore fluid saturation (water or oil) and pore sizes.
For petrophysical applications there are several different NMR laboratory devices commercially available varying over a wide range of e.g. magnetic field strength / frequency (2 MHz to 30 MHz), applicable measurement protocols (T1, T2, T1-T2, T2-D, etc.) and sample sizes (2.5 cm to 10 cm in diameter). In this work we present NMR measurements, layed out in a round robin like manner, on a set of 20 sandstone samples. We use three different NMR devices containing two standard setups with homogenous magnetic fields (LIAG and RWTH) and one single-sided setup with gradient field (BGR) to measure T1 and T2 relaxation data. In our evaluation we especially focus on the comparison of the individually inverted relaxation time distributions to quantify the differences arising from different laboratory setups. Diverging results can be deduced on the one hand to the inherit differences between homogeneous and gradient fields but on the other hand also due to quality differences between the two homogeneous setups. Additionally, we also examine the influence of the individually chosen inversion parameters (signal processing, distribution sampling points, error weighting, regularization, etc.) to establish a general standardized best practice recommendation for future petrophysical NMR laboratory measurements.
Other than commonly assumed the relaxation times observed in the electrical low-frequency range (1 mHz – 40 kHz) of natural porous media like sandstones and tuff stones cannot be directly related to the dominant (modal) pore throat sizes, measured (e.g.) with mercury intrusion porosimetry (MIP). Working with a great variety of sandstones from very different origins and featuring great variations in textural and chemical compositions as well as in geometrical pore space properties, it was observed that particularly samples with narrow pore throats were characterized by long (low-frequency) relaxations. These, however, can (following the current theories) be rather explained by long “characteristic length scales” in these media or low diffusion coefficients along the electrical double layer. However, there is no straightforward way (or single approved method) of getting reliable numbers for properties such as the lengths of pore throats, the diameter and length of the wide pores and their respective distributions. Consequently we follow a multi-methodical approach and combine the benefits of MIP, micro-computed tomography (μ-CT) and nuclear magnetic resonance (NMR) to achieve much deeper insight due to the different resolutions and sensitivities to either pore constrictions (throats) or wide pores. This helps us to understand, whether the observed electrical relaxation phenomena actually depend on geometric length scales or rather on other properties such as chemical composition, clay content, clay type or cation exchange capacity. In this paper, we showcase selected results of a systematic study of a total of 16 sandstones and three tuffs. Findings and the particular advantage of the used method combination are discussed and shown in detail for a representative sample selection.
Because of its mobility and ability to investigate exposed surfaces, single-sided (SiS) nuclear magnetic resonance (NMR) technology enables new application fields in geosciences. To test and assess its corresponding potential, we compare longitudinal (T1) and transverse (T2) data measured by SiS NMR with those of conventional geoscientific laboratory NMR. We use reference sandstone samples covering a broad range of pore sizes. Our study demonstrates that the lower signal-to-noise ratio of SiS NMR data generally tends to slightly overestimated widths of relaxation time distributions and consequently pore size distributions. While SiS and conventional NMR produce very similar T1 relaxation data, unbiased SiS NMR results for T2 measurements can only be expected for fine material, i.e. clayey or silty sediments and soils with main relaxation times below 0.05s. This limit is given by the diffusion relaxation rate due to the gradient in the primary magnetic field associated with the SiS NMR. Above that limit, i.e. for coarse material, the relaxation data is strongly attenuated. If considering the diffusion relaxation time of 0.2 s in the numerical data inversion process, the information content >0.2s is blurred over a range larger than that of conventional NMR. However, our results show that principle range and magnitudes of the relaxation time distributions are reconstructed to some extent. Regarding these findings, SiS NMR can be helpful to solve geoscientific issues, e.g. to assess the hydro-mechanical properties of the walls of underground facilities or to provide local soil moisture data sets for calibrating indirect remote techniques on the regional scale. The greatest opportunity provided by the SiS NMR technology is the acquisition of profile relaxation data for rocks with significant bedding structures at the µm scale. With this unique feature, SiS NMR can support the understanding and modeling of hydraulic and diffusional anisotropy behavior of sedimentary rocks.