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Charakterisierung einer durch Überlast geschädigten GFK-Platte mit Thermografie und Ultraschall
(2013)
Eine GFK-Platte mit eingefräster Nut wurde in einem Zugversuch mit
ca. 90 kN belastet, was zu einer sichtbaren Veränderung an den Seitenflächen führte.
Anschließend wurde die Platte mit Ultraschall und Thermografie auf innere Schädigungen untersucht. Beide Verfahren konnten räumlich ausgedehnte Bereiche mit zahlreichen Anzeigen nachweisen, jedoch keine geschlossene Fläche. Mit UT wurden außerdem porenreiche oberflächennahe Schichten in dem Material detektiert. Diese Poren verringerten die Nachweisempfindlichkeit beider Messverfahren.
Dieser Beitrag fasst die Untersuchungsergebnisse zu den Verfahrensgrenzen der Blitzthermografie zur Ortung und Charakterisierung von Fehlstellen in Metallen zusammen. Regeln zur Abschätzung von Eindringtiefe und Tiefenauflösung werden vorgestellt und überprüft. Weiterhin werden Vorgehensweisen zur Optimierung des Intensitätskontrastes von Fehlstellenanzeigen vorgestellt.
Einfache analytische Abschätzungen werden durch eine Vielzahl von experimentellen Untersuchungen an Kupfer- und Stahl-Probekörpern ergänzt. Dabei wurden sowohl die Parameter der Blitzlichtanregung als auch der Messwerterfassung umfassend variiert.
Es wird ein Verfahren zur Röntgenabbildung schwach absorbierender Objekte vorgestellt. Als kontrastgebender Effekt wird die Röntgenrefraktion an Ober- und Grenzflächen ausgenutzt. Zur Erzeugung eines sogenannten Dunkelfeldes wird ein schwach gekrümmter Transmissionskristall eingesetzt, der lokal, d.h. in einem kleinen Ausschnitt des Einstrahlquerschnitts, die Bragg-Bedingung erfüllt. Innerhalb dieser Zone erscheinen die durch Refraktion abgelenkten Strahlkomponenten als hell leuchtende Interface-Strukturen. Die Synthese mehrerer Dunkelfeldstreifen ergibt hochaufgelöste 2D Beispiel von biologischen und technischen Mikrostrukturen.
Modellrechnungen mit dem CT-Algorithmus DIRECTT (Direkte iterative Rekonstruktion computertomographischer Trajektorien) haben die Vorteile gegenüber anderen Ansätzen bezüglich Ortsauflösung und Dichte gezeigt, insbesondere auch für unvollständige Datensätze wie Limited View- und Region of Interest-Szenarien. Entsprechend dem Normalfall werden hier jedoch vollständige Datensätze von Modellen und Messungen und ihre Rekonstruktionen bewertet. Die Qualität von DIRECTT wird mit der Gefilterten Rückprojektion anhand der Modulations-Transfer-Funktion (MTF) sowie integraler Kenngrößen im Radon- und im Ortsraum verglichen. Zur Überprüfung der Rekonstruktionsgenauigkeit experimenteller Daten werden Mustermessungen einfacher Probengeometrien unter definierten physikalischen Bedingungen durchgeführt. Diese betreffen Monochromasie, Unterdrückung von Kantenartefakten und radiometrische Intensitätsbestimmung mit Einkanaldetektor.
A fiber Bragg grating (FBG) strain patch specially adapted for long-term and high-strain applications has been developed and characterized. The design concept for the patch is based on a glass-fiber reinforced plastic (gfrp) carrier material. The developed concept for the FBG integration into the carrier material was derived from reliable integration procedure of FBG sensors into composite structures. The patches' temperature sensitivity, strain gauge factor, fiber–matrix interface adhesion and fatigue behavior were characterized. As a result, FBG strain patches with linear temperature and strain behavior, as well as excellent fatigue resistance, were developed and can be used as part of a monitoring system for advanced composite materials in aerospace structures or wind turbine power plants.
Smart technical textiles are by definition textiles that can interact with their environment.
They can sense and react to environmental conditions and external stimuli from mechanical, thermal, chemical or other sources. Such textiles are multifunctional or even “intelligent” which is fulfilled by a number of sensors incorporated in the textiles. The embedded sensors are sensitive to various parameters such as temperature, strain, chemical, biological and other substances.
Aktuell wird die Ultraschallechotechnik für Holzbauteile genutzt, indem aus der Abschattung eines ansonsten stabilen Rückwandechos auf Auffälligkeiten im Holzbauteil geschlossen wird. Dabei werden Transversalwellen (Mittenfrequenz 50 kHz) mit der Polarisationsrichtung in Faserrichtung (L) angewendet. In einem 2012 abgeschlossenen Forschungsvorhaben wurde nun die direkte Abbildung von Streuern durch anisotrope SAFT-Rekonstruktion entwickelt.
Dazu werden flächig aufgenommene Ultraschallmessdaten mit automatisiert scannenden Druck- und Scherwellenköpfen erzeugt und auf Basis anisotroper Geschwindigkeitsverteilungen rekonstruiert. Benutzt werden die auch häufig für Beton eingesetzten trocken ankoppelnden Punktkontakt-Prüfköpfe. Da damit auch intensive Wellen an der Oberfläche erzeugt werden, entstehen im Material zusätzliche Kopfwellen, die ebenfalls bei der Rekonstruktion berücksichtigt werden.
Da die Wellengeschwindigkeiten in Holz individuell stark schwanken, wird eine interaktive Auswertetechnik zur Ermittlung der Materialkonstanten benutzt. Für die Messungen werden Druckwellen sowie Scherwellen in zwei Polarisationsrichtungen verwendet. Die Messungen erfolgen sowohl mit automatischen Scannersystemen als
auch mit einem linearen Prüfkopf-Array (kommerziell erhältlicher multistatischer Messkopf). Gezeigt werden Ergebnisse an Bauteilen mit künstlichen und realen Fehlstellen. Das Forschungsprojekt wurde gefördert vom Bundesamt für Bau- und Raumordnung (BBR, Zukunft Bau).
Zur Durchstrahlung großer, dichter Objekte reichen die Energien, die mit normalen Röntgenröhren erzielt werden können, ab gewissen Schichtdicken nicht mehr aus. Als hochenergetische Strahlenquellen stehen Kobalt-60 und Elektronenbeschleuniger zur Verfügung. Als Einschränkung der Hochenergieradiographie ist der geringere Kontrast besonders beim Vorhandensein leichterer Objekte umgeben von Körpern bestehend aus schweren Elementen anzusehen. Es ist daher zu erwarten, dass Objekte aus organischen Substanzen hinter dicken Schwermetallwänden oder in Bohrungen von Metallblöcken schwer zu erkennen sind. Im Gegensatz zu einem Gammastrahler wie Kobalt-60 mit den beiden Spektrallinien um 1,3 MeV besitzt die Bremsstrahlung aus einem Beschleuniger einen wesentlichen Anteil an niederenergetischer Strahlung, der fließend zu höheren Energien übergeht. Es wird hier untersucht, welche Signaturen von leichten Materialien in einer Umgebung aus Schwermetall bis zu welcher Dicke und bis zu welchem Komplexizitätsgrad erkennbar sind. Mit einem Betatron (JME X-ray Betatron 7,5 MeV) und einem Matrixdetektor (Perkin Elmer XRD 1621) wurden Aufnahmen von unterschiedlichen leichten Objekten angefertigt, die zunehmend in eine Umgebung aus Schwermetallen gestellt wurden. Mit unterschiedlichen Energieeinstellungen wurde untersucht, inwieweit eine Materialerkennung hinter welcher Abschirmung möglich ist. Die experimentellen Ergebnisse werden mit Simulationen verglichen, die mit einer Software zur Modellierung von Durchstrahlungsverfahren (aRTist) erzeugt wurden. Dabei wird dem Problem der Aufhärtung bei Anwendung von Bremsstrahlung Rechnung getragen. Die Ergebnisse können sowohl zur Erkennung von Fremdkörpern in Maschinen oder Pumpen als auch zur Überprüfung von Frachtladungen im Bereich der öffentlichen Sicherheit und bei Zollkontrollen dienen.
Ultrasonic echo and transmission techniques are used in civil engineering on a regular basis. New sensors and data processing techniques have lead to many new applications in the structural investigation as well as quality control. But concrete structures in the nuclear sector have special features and parameters, which pose problems for the methods and instrumentation currently available, e.g. extreme thickness, dense reinforcement, steel liners or special materials. Several innovative ultrasonic techniques have been developed to deal with these issues at least partly in lab experiments and pilot studies. Modern imaging techniques as multi-offset SAFT have been used e. g. to map delaminations. Thick concrete walls have successfully been inspected, partly through a steel liner. Embedded ultrasonic sensors have been designed which will be used in monitoring networks of large concrete structures above and below ground. In addition, sensitive mathematical methods as coda wave interferometry have been successfully evaluated to detect subtle changes in material properties. Examples of measurements and data evaluation are presented.
A major requirement for the validation of methods assessing the risk associated with engineered nanoparticles (ENPs) is the use of reference materials (RMs). In the present contribution we review available RMs, ongoing projects and characterisation trends in the field. The conclusion is that actual approaches to RMs mostly deal with metrological considerations about single properties of the ENPs, typically their primary size, which can hardly be representative of nanoparticles characteristics in real testing media and therefore, not valid for reliable and comparable toxicological studies. As an alternative, we discussed the convenience and feasibility of establishing multi-parametric RMs for a series of ENPs, focusing on silica nanoparticles (SNPs). As a future perspective, the need to develop RMs based on hybrid nanoparticles is also discussed.
Das Monitoring von Bauteilen bei Ermüdungsbelastung mit Hilfe der Schallemission liefert eine große Anzahl an Schallemissionsdaten und –parametern. Um diese in einen Zusammenhang mit dem Schadenszustand des Bauteils zu bringen ist es sinnvoll, einen Bezug zu bekannten bruchmechanischen Kenngrößen herzustellen. Dies wird in dieser Arbeit anhand von Ermüdungsversuchen an Platten aus dem Feinkornstahl P460NL1 versucht. Schallemissionssignale aus Ermüdungsrissen mit und ohne Korrosionseinfluss werden analysiert und mit bekannten bruchmechanischen Kenngrößen wie der Risswachstumsrate und dem Spannungsintensitätsfaktor verglichen.
Indirect UV-absorption spectrometry was shown to be a valuable tool for chemical characterization of functionalized carbon nanotubes (CNTs). It complements data from X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) or FTIR analysis since it helps to clarify the type and concentration of functional groups. The principles of indirect application of UV-spectrometry and its mathematical interpretation are discussed. Their facile application, together with their adequate sensitivity and high flexibility, make UV-absorption-based approaches a valuable alternative to fluorescence spectrometry. Here, the approach was applied to the chemical analysis of oxidizing substances on CNTs. For this, pristine CNTs of low but finite oxygen content as well as brominated CNTs were analyzed by reaction in suspension with UV-active thiol reagents and a styrene derivative. It was shown that carefully selected reagents allow differentiation and quantification of bromine and generally oxidizing entities like oxygen. For brominated CNTs, it was shown that physisorbed bromine may dominate the overall bromine content.
Carbon capture & storage (CCS) is one of the most promising technologies for greenhouse gas (GHG) management. However, an unsolved issue of CCS is the development of appropriate long-term monitoring systems for leak detection of the stored CO2. To complement already existing monitoring infrastructure for CO2 storage areas, and to increase the granularity of gas concentration measurements, a quickly deployable, mobile measurement device is needed. In this paper, we present an autonomous gas-sensitive micro-drone, which can be used to monitor GHG emissions, more specifically, CO2. Two different measurement strategies are proposed to address this task. First, the use of predefined sensing trajectories is evaluated for the task of gas distribution mapping using the micro-drone. Alternatively, we present an adaptive strategy, which suggests sampling points based on an artificial potential field (APF). The results of real-world experiments demonstrate the feasibility of using gas-sensitive micro-drones for GHG monitoring missions. Thus, we suggest a multi-layered surveillance system for CO2 storage areas.
In einer speziellen 3D-Prüfanlage zur wirklichkeitsnahen Simulation von komplexen Verhältnissen an Großproben wurden UP-Mehrlagenschweißungen am warmfesten Stahl 13CrMoV9-10 durchgeführt. Während der schweißtechnischen Fertigung und der Abkühlung auf Raumtemperatur wurden die Proben an der freien Ausdehnung und Schrumpfung gehindert. Die daraus resultierenden Reaktionsspannungen führten während der Wärmenachbehandlung zu Relaxationsrissen in der Wärmeeinflusszone. Das Spannungsarmglühen wurde bei einer Temperatur von 705°C und einer Haltezeit von 8 h durchgeführt. Während der Aufheiz- und Abkühlphasen wurde die thermische Ausdehnung der Probe über die 3D-Prüfanlage kompensiert und damit das Spannungsniveau bis zum Erreichen der maximalen Glühtemperatur aufrechterhalten. Nach Erreichen der Glühtemperatur konnte die Probe relaxieren. Der Einsatz der Schallemissionsmessung ermöglichte es die Entstehung von Spannungsrelaxationsrisse, erstmalig online, nachzuweisen. Durch Synchronisierung der Schallemissionsereignisse mit den Messdaten der 3D – Prüfanlage wurde der kritische Temperaturbereich für das Auftreten von Spannungsrelaxationsrissen bestimmt. Die Rissinitiierung findet im Temperaturbereich zwischen 350°C - 500°C statt. Aussagen über das Risswachstum können auf Grund der ungünstigen Versuchsbedingungen, mit Emission von Störgeräuchen, nicht getroffen werden.
Luminescence techniques are among the most widely used detection methods in the life and material sciences. At the core of these methods is an ever-increasing variety of fluorescent reporters (i.e., simple dyes, fluorescent labels, probes, sensors and switches) from different fluorophore classes ranging from small organic dyes and metal ion complexes, quantum dots and upconversion nanocrystals to differently sized fluorophore-doped or fluorophore-labeled polymeric particles. A key parameter for fluorophore comparison is the fluorescence quantum yield (Φf), which is the direct measure for the efficiency of the conversion of absorbed light into emitted light. In this protocol, we describe procedures for relative and absolute determinations of Φf values of fluorophores in transparent solution using optical methods, and we address typical sources of uncertainty and fluorophore class-specific challenges. For relative determinations of Φf, the sample is analyzed using a conventional fluorescence spectrometer. For absolute determinations of Φf, a calibrated stand-alone integrating sphere setup is used. To reduce standard-related uncertainties for relative measurements, we introduce a series of eight candidate quantum yield standards for the wavelength region of ~350950 nm, which we have assessed with commercial and custom-designed instrumentation. With these protocols and standards, uncertainties of 5–10% can be achieved within 2 h.
Eines der bedeutendsten Kunstwerke des Magdeburger Doms sind die Putzritzungen am Ostflügel des Kreuzgangs aus dem 13. Jahrhundert. Der größte Teil der einzelnen Putzoberflächen sind Ausbesserungen oder Neuverputzungen aus verschiedenen Restaurierungs- oder Reparaturphasen. In dem von der Forschungsinitiative Zukunft Bau geförderten Projekt zur 3D-Kartierung von Bauwerksoberflächen wurden Untersuchungen zur Erfassung der Schäden an diesen Putzritzungen mit optischen 3D-Messverfahren und der aktiven Thermografie durchgeführt. Dabei wurden bei den optischen Verfahren hochauflösende Techniken zur Erfassung der Oberflächentopologie (Stereophotogrammmetrie) und zur Vermessung der Rissstrukturen und Ausbeulungen (3D-Trackingverfahren) eingesetzt. Die Zuordnung der Signaturen in den Thermogrammen zu Hohlstellen sowie Materialergänzungen und -ersatz wird diskutiert. Weiterhin erfolgt ein Vergleich der Ergebnisse mit Messungen an neu freigelegten Putzbereichen.
Anhand eines erfolgreichen Messeinsatzes an einer Spannbetonbrücke, deren Querspannglieder zuverlässig lokalisiert und nachfolgend instandgesetzt werden sollen, wird die Vorgehensweise der Radarmessung mit zwei verschiedenen Polarisationsrichtungen der Antenne zur Unterscheidung von unterschiedlichen Arten der Bewehrungen ausführlich erklärt. Das Radarverfahren eignet sich sehr gut für die zerstörungsfreie Ortung von Bewehrung in Stahlbetonbauwerken. Insbesondere lässt sich mit dem Verfahren vorgespannte Bewehrung bis in einer Tiefe von ca. 30 cm und bei einem normalen Bewehrungsgrad (Maschenweite >10 cm) der schlaffen Bewehrung zuverlässig auffinden. Seit einigen Jahren wird das Radarverfahren erfolgreich im Vorfeld einer schadensfreien Kernbohrung im Rahmen von Ertüchtigungsmaßnahmen von Stahlbetonbrücken mit externen Spanngliedern angewendet. Aufgrund der Lage und dem Verlauf der vorgespannten Bewehrung in Hohlkastenseitenwänden und Plattenbalken kann eine vorgespannte Bewehrung von schlaffer Bewehrung in diesen Bauwerken sehr gut unterschieden werden. Diese Unterscheidungsmerkmale lassen sich aber bei Querspanngliedern in einer Fahrbahnplatte nur selten anwenden, da häufig die Überdeckung und der Abstand der schlaffen Bewehrung und der Querspannglieder ähnlich sind. In diesem Beitrag wird beschrieben, wie der gezielte Einsatz verschiedener Polarisationsrichtungen der Antenne zu einer zuverlässigen Unterscheidung von schlaffer Bewehrung und Spanngliedern beiträgt und damit zu einer verbesserten bildgebenden Darstellung der inneren Konstruktion der Fahrbahnplatte führt.
Für Ultraschallmessungen in Betonbauteilen wurden neuartige radialsymmetrisch abstrahlende Longitudinalwellenprüfköpfe mit einer Mittenfrequenz von 60 kHz auf deren Eignung hinsichtlich Abstrahlcharakteristik, Empfindlichkeit und Frequenzspektrum untersucht.
Für die Messung der Abstrahlcharakteristiken wurden die Prüfköpfe vertikal und horizontal in Betonzylinder eingebettet und die Richtungsabhängigkeiten der Schallschnelle mithilfe eines Laservibrometers gemessen.
Die Streuung der Prüfkopfempfindlichkeit wurde im Wasserbad unter Verwendung verschiedener Köpfe gleicher Bauart bestimmt. Außer Änderungen der Signalamplituden zeigten sich auch Schwankungen im Frequenzbereich bei verschiedenen Sender-Empfängerkombinationen.
Die Schallschwächung des Betons hat Einfluss auf die erreichbare Auflösung der Messungen und damit auf die maximal möglichen Senderabstände im Bauteil. Durch experimentelle Untersuchungen und Simulationen erfolgte eine Optimierung der Abstände hinsichtlich des Aufwandes und der geforderten Auflösung. Die Signalschwächung im Beton wurde mit verschiedenen Impulsen im Frequenzbereich von 50 kHz bis 100 kHz in Abhängigkeit verschiedener Bewehrungsgrade und Korngrößen ermittelt. Hierfür wurden die Sensoren in unterschiedlichen Abständen in die Probekörper einbetoniert und die Empfangssignale hinsichtlich Amplitudenabfall und Frequenzspektrum untersucht.