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Dokumentenidentifikation DE4233958A1 14.04.1994
Titel Gefüge-Zustandermittlung von Gestein
Anmelder Geotron-Elektronik Rolf Krompholz, 01796 Pirna, DE;
Ibach Verwaltungsgesellschaft mbH, O-8604 Scheßlitz, DE
Erfinder Krompholz, Günter, O-8300 Pirna, DE;
Krompholz, Rolf, O-8300 Pirna, DE
Vertreter Cohausz, W., Dipl.-Ing., 40237 Düsseldorf; Knauf, R., Dipl.-Ing., 40472 Düsseldorf; Cohausz, H., Dipl.-Ing., 40237 Düsseldorf; Werner, D., Dipl.-Ing. Dr.-Ing.; Redies, B., Dipl.-Chem. Dr.rer.nat.; Schippan, R., Dipl.-Ing. Dr.-Ing.; Thielmann, A., Dipl.-Ing., Pat.-Anwälte, 40472 Düsseldorf
DE-Anmeldedatum 08.10.1992
DE-Aktenzeichen 4233958
Offenlegungstag 14.04.1994
Veröffentlichungstag im Patentblatt 14.04.1994
IPC-Hauptklasse G01N 33/24
IPC-Nebenklasse G01N 33/38   G01N 29/22   B06B 1/06   B06B 1/08   G01N 29/04   
Zusammenfassung Bei einem Verfahren zur Gefüge-Zustandsermittlung von Natur- und Kunststein sowie von Beton mittels Ultraschall-Durchschallung, bei dem von einem an dem zu untersuchenden Stein angekoppelten Geber Ultraschall-Wellen ausgesendet und von einem auf der dem Geber entgegengesetzten Seite des Steins angekoppelten Empfänger empfangen werden, werden leistungsfähigere Messungen sowie eine hohe Reproduzierbarkeit bei vertretbarem Aufwand ermöglicht, indem der Geber eine kombinierte P-Welle (Longitudinalwelle) mit einer axialen und einer radialen Komponente aussendet, wobei die radiale Komponente niederfrequenter ist als die axiale und das Signalgemisch beider Frequenzen in einer anschließenden schnellen Fourier-Transformation (FFT) analysiert wird. Des weiteren ist eine Vorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens mit einem Geber (2), einem Empfänger (4), einem Ultraschall-Generator (3) und einer Auswerteeinheit (5) beschrieben, wobei der Geber (2) vom Ultraschall-Generator (3) erregt und die Auswerteeinheit (5) vom Ultraschall-Generator (3) getriggert wird.

Beschreibung[de]

Vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gefüge-Zustandsermittlung von Natur- und Kunststein sowie von Beton mittels Ultraschall-Durchschallung, bei dem von einem an den zu untersuchenden Stein angekoppelten Geber Ultraschall-Wellen ausgesendet und von einem auf der dem Geber entgegengesetzten Seite des Steins angekoppelten Empfänger empfangen werden sowie eine Vorrichtung zum Durchführen eines solchen Verfahrens mit einem Geber, einem Empfänger, einem Ultraschall-Generator und einer Auswerteeinheit.

Die Ultraschallprüfung ist heute bei der zerstörungsfreien Materialprüfung die wohl am häufigsten eingesetzte Prüfmethode. Hierbei werden Ultraschall-Schwinger zur Fehlerortung, beispielsweise in Metallen, eingesetzt, man spricht auch von der "Impuls-Echomethode". Bei diesem Prüfverfahren läßt man nur eine Schwingungsrichtung zu. Die senkrecht zur Achsrichtung stets vorhandene Radialschwingung wird meist durch elektronische Filter oder andere geeignete mechanische Maßnahmen unterdrückt. Die Ortung von Fehlstellen in Naturstein und Beton mit dem Impuls-Echoverfahren ist aufgrund des hohen Schallintensitätsverlustes (Dämpfung) bei hohen Meßfrequenzen nicht möglich. Im folgenden ist unter dem Begriff "Gestein" sowohl Natur- und Kunststein als auch Beton zu verstehen.

Man bedient sich daher der Prüfmethode der Ultraschall-Durchschallung. Hierbei wird nicht das vom zu untersuchenden Werkstück erhaltene Echo ausgewertet, sondern die Schallaufzeit zwischen Geber und Empfänger sowie die vom Gestein ausgehende Dämpfung. Diese "konventionellen" Ultraschall-Messungen eignen sich zur Detektierung von Makrorissen und gröberen Gefügezerstörungen, sind jedoch für zu ortende Riß-Strukturen, die im Bereich unter 0,1 mm bis hin zu verheilten Rissen liegen, nicht mehr mit einem befriedigenden Ergebnis einsetzbar. Zu beachten ist, daß die Korngrößen und Mikrorisse wesentlich kleiner sind als die eingesetzten Wellenlängen, welche in der Größenordnung von mehreren Zentimetern liegen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte und zuvor näher beschriebene Verfahren zur Gefüge-Zustandermittlung von Gestein sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens so auszugestalten und weiterzubilden, daß leistungsfähigere Messungen ermöglicht werden. Neben der höheren Meßgenauigkeit ist weiterhin eine hohe Reproduzierbarkeit bei vertretbarem Aufwand erwünscht.

Verfahrensmäßig wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Geber eine kombinierte P-Welle (Longitudinalwelle) mit einer axialen und einer radialen Komponente aussendet, daß die radiale Komponente niederfrequenter ist als die axiale Komponente (Dickenfrequenz) und daß das Signalgemisch beider Frequenzen in einer anschließenden schnellen Fourier-Transformation (Fast Fourier Transformation, FFT) analysiert wird. Im Gestein ist die Dämpfung der Ultraschall-Welle frequenzabhängig, höhere Frequenzen werden stärker gedämpft als niederfrequentere. Der Empfänger wird demzufolge ein Signalgemisch empfangen, in dem wesentliche Informationen über den Gefügezustand enthalten sind. Durch die Eigenschaften des Gefügezustandes läßt sich eine obere akustische Grenzfrequenz definieren, die analog zum Tiefbaßübertragungskanal der elektrischen Nachrichtentechnik ist. Dieses Empfangssignal wird der Auswerteinheit, d. h. einem Signalspeicheranalysator bzw. Transient-Recorder zugeführt, in welchem es A/D gewandelt in digitalisierter Form auf einer Festplatte gespeichert wird. Die Weiterverarbeitung mit Signalanalyse einschließlich FFT kann bei Einsatz eines entsprechenden Rechnersystems gewissermaßen "on-line" erfolgen.

Vorrichtungsmäßig erfolgt die Lösung der Aufgabe dadurch, daß der Geber vom Ultraschall-Generator erregt und die Auswerteeinheit getriggert wird. Der Empfänger gibt das Signalgemisch an den Verstärker der Auswerteeinheit weiter. Hier werden die Signalverläufe gespeichert und anschließend mit einer Signalanalyse-Software ausgewertet. Die bei der Auswertung mittels FFT entstehenden Frequenzspektren können miteinander sowie mit den als Referenz gespeicherten Spektren von störungsfreiem Gesteinsgefüge verglichen werden. Eine Dokumentation und der erzeugten Graphiken und Berechnungen erfolgt anschließend über Plotter oder Drucker.

Jedes Gesteinsgefüge stellt ein akustisches Filter dar, dessen obere Grenzfrequenz von den jeweiligen Korngrenzen geprägt wird. Sind Mikro- und Makrorisse vorhanden, dann reagiert die obere Grenzfrequenz empfindlich mit einer Absenkung, gleichzeitig nimmt die Dämpfung entsprechend zu. Die ausgesendete Primär- oder Longitudinalwelle enthält neben der Dickenfrequenz auch eine Radialfrequenz, wobei die Amplituden beider Wellen sich annähernd wie das Verhältnis Dicke/Durchmesser des Erregers, beispielsweise einer Piezoscheibe, verhalten. Die Radialwelle ist also bei Erregern mit geringer Dicke als ihr Durchmesser stets niederfrequenter als die Dickenschwingung. Bei Messungen an Granit zeigt sich beispielsweise deutlich, daß die Filterwirkung des Gesteinsgefüges und Mikro- bzw. Makrorisse beide Schwingungskomponenten unterschiedlich stark dämpfen.

Der Bereich von Dickenfrequenz und Radialfrequenz wird auch als Kombinationsfrequenz bezeichnet. Dieses Frequenzband ist nun vom Gefüge-Zustand abhängig.

Die zuvor wiedergegebene Abhängigkeit zwischen Kombinationsfrequenz und Gefüge-Zustand läßt sich durch Analyse mittels einer schnellen Fourier-Transformation besonders deutlich zum Ausdruck bringen. Dabei werden die einzelnen gemessenen Signalverläufe (Schallaufzeiten) aus dem Zeitbereich in den Frequenzbereich transformiert.

Wichtig für gute Meßergebnisse ist die richtige Ankoppelung von Geber und Empfänger an den zu untersuchenden Gesteinsblock. Weist der zu untersuchende Gesteinsblock eine geschliffene Oberfläche auf, können Geber und Empfänger über einen Wasserfilm angekoppelt werden. Zweckmäßigerweise wird hierzu fließendes Wasser verwendet. Dies ist die einfachste Art, um völlig reproduzierbare Schwingungsbilder zu erhalten.

Bei unebener Oberfläche ist es nach einer weiteren Lehre der Erfindung vorgesehen, daß die Ankoppelung von Geber und Empfänger an-den Stein mittels Modellierton erfolgt. Je nach Oberflächenbeschaffenheit können jedoch auch Viskosepasten oder dergleichen zum Einsatz kommen.

Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, daß mit Hilfe der Laufzeit von Longitudinalwelle und Transversalwelle (Kopfwelle) die Poissonsche Konstante (Querdehnungszahl) des untersuchten Gesteins ermittelt wird. Hierzu wird der Geber an eine freie Grenzfläche angekoppelt. Auf Grenzflächen kann sich keine Primärwelle ausbreiten, sie wird daher bereits in unmittelbarer Umgebung des Gebers in eine Kopfwelle verwandelt und tangiert im Inneren des Meßobjektes die S-Welle (Scher- oder Transversalwelle). Je nach Abstand des Gebers vom Rand des zu untersuchenden Gesteinsblocks existiert die Kopfwelle komplett oder als Teil eines Kegelmantels.

Die Ermittlung der Poisonschen Kostanten erfolgt dabei aus den Laufzeiten tp und ts anhand der folgenden Formel:



tp = Laufzeit der Longitudinalwelle

ts = Laufzeit der Transversalwelle

µ = Piossonsche Konstante.

Als Element zur Fehlerdiagnose eignet sich die Kopfwelle weniger, weil ihre Amplitude bei Messungen im Randbereich des zu untersuchenden Gesteinsblocks durch Randreflexionen moduliert wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens zur Gefüge-Zustandermittlung zeichnet sich durch die folgenden Vorteile aus:

Es können Gefügestörungen in Gesteinen größerer Abmessungen ermittelt werden, die sich bisher einer meßtechnischen Erfahrung entzogen. Die Signalanalyse reduziert den Auswerteaufwand derartiger Messungen überhaupt erst auf ein wirtschaftliches Niveau.

Messungen im Labor und "in situ" sind mit gleicher Meßanordnung und gleichen Meßbedingungen möglich, d. h. die gewonnenen Aussagen sind übertragbar. Bei den "in situ"-Messungen ist keine Probeentnahme notwendig, das Verfahren ist daher zerstörungsfrei. Dies ist insbesondere bei der Gefüge-Zustandsermittlung von Denkmälern etc. von Bedeutung.

Die kurzen Meßzeiten (quasi kontinuierliche Meßmethode) gestatten die Messung zeitlich veränderlicher Gefügezerstörungsprozesse mit hoher zeitlicher Auflösung.

Die Messung der Poissonschen Konstante bedeutet die direkte Messung einer Materialkonstanten, die unabhängig von anderen Meßeffekten ist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird als Geber ein piezoelektrischer Schwinger verwendet. Im Gegensatz zu den Ultraschall-Schwingern, die zu Fehlerortungen in Metallen nach der Impuls-Echomethode verwendet werden, weisen die erfindungsgemäß verwendeten piezoelektrischen Schwinger keine elektronische Filter oder sonstige mechanische Korrekturelemente auf, weil jedes Filter die Kombination Dickenfrequenz/Radialfrequenz stört.

Nach weiteren Lehren der Erfindung ist es auch denkbar, daß als Geber ein magnetostriktiver Schwinger oder ein seismischer Hammer eingesetzt wird. Bei den genannten Gebern sollte die Normalpolarität einen negativen ersten Einsatz bedingen, d. h. der Geber führt als erste Aktion nach der Impulserregung am zu untersuchenden Gesteinsblock einen Zugimpuls aus. So erfolgt beispielsweise bei einem piezoelektrischen Geber als erste Phase eine Kompression (Zugimpuls am Meßobjekt) in Achsrichtung. Dies geht mit einer radialen Vergrößerung der Piezoscheibe einher. Die Periodendauer (1/Frequenz) und die Amplituden beider Wellen verhalten sich annähernd wie das Verhältnis Dicke/Durchmesser der Piezoscheibe. Dies führt zu dem bereits erläuterten Frequenzunterschied zwischen Dickenwelle und Radialwelle.

Die folgende Tabelle zeigt die Verhältnisse bei einem untersuchten Granitblock, einmal intakt, und darüber hinaus bei zunehmender Gefügezerstörung durch Mikrorisse (Meßstellen 1 bis 3):



Die an den Meßstellen 1 bis 3 deutlich niedriger werdende Dickenfrequenz zeigt, daß der Randbereich der untersuchten Granitblöcke durch die Trennung (Keil bzw. Bohrloch) Gefügestörungen davongetragen hat.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung in schematischer Darstellung,

Fig. 2 ein bei der Auswertung mittels schneller Fourier-Transformation (FFT) entstehendes Frequenzspektrum mit gestörtem Gesteinsgefüge und

Fig. 3 ein bei der Auswertung mittels schneller Fourier-Transformation (FFT) entstehenden Frequenzspektrum mit ungestörtem Gesteinsgefüge.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist in Fig. 1 schematisch dargestellt. Dabei ist mit 1 der zu untersuchende Gesteinsblock bezeichnet, an den ein Geber 2 gekuppelt ist. Der Geber ist mit einem Ultraschall-Generator 3 verbunden. Auf der dem Geber 2 abgewandten Seite des Gesteinsblocks 1 ist ein Empfänger 4 angeordnet, welcher mit einer Auswerteeinheit 5 in Verbindung steht. Die Auswerteeinheit 5 wird gleichzeitig vom Ultraschall-Generator 3 getriggert. Die Dokumentation der erzeugten Graphiken und/oder Berechnungen erfolgt in bekannter Weise über Plotter 6 oder Drucker 7. Nicht dargestellt ist, daß Geber 2 und Empfänger 4 mit einem Koppelmedium an den Gesteinsblock 1 gekoppelt werden.

In der Auswerteeinheit 5 werden die Signalverläufe gespeichert und anschließend mit einer Signalanalyse-Software ausgewertet. Dazu sind Frequenzspektren von störungsfreien Steingefügen als Referenz gespeichert. Die Fig. 2 und 3 zeigen am Beispiel von gestörtem (Fig. 2) und ungestörtem (Fig. 3) Granit die unterschiedlichen Frequenzspektren. Dabei ist bereits mit dem bloßen Auge die wesentlichen gleichmäßiger verlaufende Frequenzverteilung beim ungestörten Granitblock gemäß Fig. 3 zu erkennen.

Für die Frequenzspektren nach den Fig. 2 und 3 wurden die untersuchten Granitblöcke in Quadrate mit 10 cm Kantenlänge eingeteilt, beide Blöcke in sechs Zeilen mit sechs Spalten, bei der gewählten Schrägdurchschallung in Zeilenrichtung entstehen vier Schwingungsbilder je Zeile, zusammen also 24 Bilder.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Gefüge-Zustandsermittlung von Natur- und Kunststein sowie von Beton mittels Ultraschall- Durchschallung, bei dem von einem an den zu untersuchenden Stein angekoppelten Geber Ultraschall-Wellen ausgesendet und von einem auf der dem Geber entgegengesetzten Seite des Steins angekoppelten Empfänger empfangen werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Geber eine kombinierte P-Welle (Longitudinalwelle) mit einer axialen und einer radialen Komponente aussendet, daß die radiale Komponente niederfrequenter ist als die axiale Komponente (Dickenfrequenz) und daß das Signalgemisch beider Frequenzen in einer anschließenden schnellen Fourier-Transformation analysiert wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Komponente (Dickenfrequenz) im Bereich zwischen 20 kHz und 500 kHz liegt.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankoppelung von Geber und Empfänger an den Stein über einen Wasserfilm erfolgt.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch die Verwendung von fließendem Wasser zur Ankoppelung.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankoppelung von Geber und Empfänger an den Stein mittels Modellierton erfolgt.
  6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Geber und Empfänger nicht mit dem kurzestmöglichen Abstand auf den sich gegenüberliegenden Stirnseiten angeordnet sind, sondern mit einem seitlichen Versatz.
  7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe der Laufzeiten von Longitudinalwelle und Transversalwelle die Poissonsche Konstante (Querdehnungszahl) des untersuchten Steins ermittelt wird.
  8. 8. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 mit einem Geber, einem Empfänger, einem Ultraschall-Generator und einer Auswerteeinheit, dadurch gekennzeichnet, daß der Geber (2) vom Ultraschall-Generator (3) erregt und die Auswerteeinheit (5) getriggert wird.
  9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Geber ein piezoelektrischer Schwinger vorgesehen ist.
  10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Geber ein magnetostriktiver Schwinger vorgesehen ist.
  11. 11. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Geber ein seismischer Hammer vorgesehen ist und daß beim Aufschlag gleichzeitig ein Trigger-Impuls abgegeben wird.






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