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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Beschaffenheitsuntersuchung
von säulenförmigen oder
zylindrischen Abschnitten von Körpern.
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Verfahren
und entsprechende Vorrichtungen zur Beschaffenheitsuntersuchung
von Körpern
mit säulenförmigen oder
zylindrischen Abschnitten sind insbesondere für die Untersuchung von Bäumen bekannt,
da Bäume
beispielsweise in urbanen Bereichen regelmäßig aus Gründen der Verkehrssicherheit
auf ihre Beschaffenheit, beziehungsweise auf mögliche vorliegende Defekte
wie Fäulnis
oder ähnliches
untersucht werden müssen.
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Nichtinvasive
Verfahren umfassen hierbei die visuelle Analyse von Krone und Stamm.
Im Inneren des Stammes sich entwickelnde oder bereits im fortgeschrittenen
Zustand befindliche Fäulniszustände können visuell üblicherweise
jedoch nicht ermittelt werden. Daher wurde zur Erlangung von Materialproben
aus dem Inneren eines Baumes vielfach die Bohrkernentnahme eingesetzt,
die als stark invasives Verfahren jedoch schädigenden Einfluss auf den Baum
hat.
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Um
diesen Nachteil zu vermeiden, wurden weniger invasive Verfahren
wie die Bohrwiderstandsmessung, die in der
DE OS 3 501 841 beschrieben
wird, entwickelt. Zur Untersuchung wird eine Nadel einige Zentimeter
tief im Wesentlichen senkrecht zur Stammachse in das Holz eindringen
gelassen und der Widerstand der Nadel beim definierten Einführen in
den Stamm gemessen. Starke Abweichungen vom erwartungsgemäßen Widerstand
oder ein Zusammenbrechen des mechanischen Widerstands indizieren
einen Defekt, bedingt durch Fäulnis
oder eine Aushöhlung.
Unsicherheiten bei diesem Verfahren ergeben sich durch Widerstandsabweichun gen,
die sich bereits aus unterschiedlichen Materialbeschaffenheiten
bei gesunden, gleichartigen Hölzern
ergeben. So können
zwei an unterschiedlichen Lokationen befindliche, unterschiedlich
ernährte
Bäume gleicher
Stammdicke aber unterschiedlichen Alters oder auch gleichen Alters,
hinsichtlich des zu erwartenden Bohrwiderstands unter der Voraussetzung,
der Baum sei gesund, wesentliche Messwertabweichungen aufweisen.
Zuverlässige
Aussagen, etwa über
beginnende Fäulnisprozesse
im Kern, sind damit nur bedingt möglich.
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Invasive
Materialprüfungen
sind ferner mit der in
DE
100 31 333 A1 offenbarten Vorrichtung durchführbar, die
vorschlägt,
mittels einer Bohrvorrichtung Eindring- und Auszugswiderstandsmessungen
durchzuführen.
Ebenfalls invasiv verläuft
das mit Hilfe einer Nadel ausgeführte
Baum- und Holzbauteile-Untersuchungsverfahren, bei dem die Nadel
in das Holz getrieben wird um den Eindringwiderstand zu messen,
das in
DE 35 01 841
A1 ausgeführt
ist.
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Ein
weiteres Verfahren, das vergleichsweise zerstörungsarm ist, besteht in der
Verwendung eines Impulshammers zur Durchführung einer akustischen Laufzeitmessung
oder einer akustischen Impedanzmessung. Am Stamm werden zwei korrespondierende,
sich entsprechend gegenüber
liegende Sender- und Empfängerbolzen
angebracht. Eine mittels eines Impulshammers initiierte Schallwelle
wird über
den Senderbolzen durch den Stamm zum Empfängerbolzen gesendet und die
Laufzeit des Signals wird erfasst. Die erhaltenen Signale werden
mit bekannten Laufzeitwerten abgeglichen. Abweichungen der Laufzeit
deuten auf Materialdefekte hin. (Primärbericht 8/93 des Kernforschungszentrums
Karlsruhe, K. Bethke, C. Matthek, G. Thun: „Ein Katalog der Ausbreitungsgeschwindigkeit
von Stosswellen in Defekt behafteten Holzquerschnitten”). Eine
genaue Lokalisierung des Defekts ist auf diese Weise jedoch nicht
möglich,
da lediglich eine quantitative Aussage über den Materialzustand gemacht
wird. Auch in „statistische
Hinweise im Schall-Tomogramm von Bäumen”, Rinn, F., S. 41–45, Stadt
und Grün,
07/2004 wird die Schall-Impuls-Tomographie, neben der ebenfalls
erwähnten
Bohrwiderstandsmessung, beschrieben.
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Mittels
Impulshammermessungen lokalisierbare Fäulnisprozesse in Holz sind
auch Gegenstand des Artikels „Schallausbreitung
in Baumstämmen”, Zubler,
M. et al., S. 46–50,
Stadt und Grün,
07/2004.
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Um
die Treffsicherheit zu verbessern und eine Aussage über Schadensart
und Umfang zu verfeinern, stellt die
DE 19 545 287 A1 ein Verfahren bereit, das
vorsieht, eine Fasern verdrängende
Sonde ins Holz zu treiben und die Kraft zu messen, die erforderlich
ist, um die gewünschte
Eindringtiefe zu erreichen. In gleicher Weise wird eine zweite Sonde
parallel zu der ersten in das Holz getrieben. Parameter, wie Temperatur,
Luftfeuchte und Feuchtegehalt müssen
vorausbestimmt werden, um in die nachfolgende Auswertung einzugehen, sodann
werden zwischen den beiden Sonden unter Wechsel der Polarität die Stromspannungsverhältnisse
gemessen. Abhängig
von einem ermittelten Messergebnis wird eine der Sonden körperschallmäßig entkoppelt und
mit einem empfindlichen Beschleunigungsaufnehmer gekoppelt, wonach
sie als Empfängersonde
mehrere Impulsantworten der durch die restlichen Eintriebsschläge der zweiten
Sonde initiierten eigenen Schwingungen des Holzes erfasst, die durch
Erstellen einer Aussage verknüpft
werden. Mit der zweiten Sonde wird anschließend umgekehrt vorgegangen,
die Sondenmessungen werden wiederholt und die erhaltenen Messwertergebnisse
unter Berücksichtigung
der Temperatur und weiterer Parameter bearbeitet. Das offenbarte
Messverfahren erfordert insofern Bestimmung einer Vielzahl von Begleitparametern,
hohe Geschicklichkeit und Sachkenntnis sowie einen erheblichen Zeitaufwand.
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Eine
Vorrichtung zur Durchführung
von Bohrwiderstandsmessung ist aus der
DE 10 031 395 A1 bekannt,
in der der Bohrwerkzeugantrieb in ein Becherteleskop einfahren gelassen
wird, um eine verbesserte Führung
des Bohrers bereit zu stellen.
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Ein
Messgerät,
dass die Temperatur und Eindringtiefe des Materials berücksichtigt,
und dass zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit in einem Prüfkörper bestimmt
ist, ist aus der
WO 98/54570 bekannt. Schließlich beschreibt
die
EP 09 77 653 ein
Bohrwiderstandsmessgerät
zur Ermittlung des inneren Zustands von Bäumen oder aus Holz bestehenden
Objekten, das im Wesentlichen einer Handbohrmaschine ähnlich ist, dass
jedoch Mittel zum Aufzeichnen des Drehmoments der abgestützten Bohrnadel
aufweist. Der Bohraufsatz ist mit dem Antriebsaggregat zu einer
Geräteeinheit
verbunden damit die Gesamtlänge
des Bohrwiderstandsmessgeräts
die Länge
des Bohraufsatzes nicht oder nur wenig überschreitet.
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Weiter
wird ein Verfahren zur Feststellung des inneren Zustands von Bäumen oder
Holzbauteilen in der
DE
3 501 841 A1 beschrieben, wobei der Fokus darauf liegt,
dass die in das Holz eindringende Nadel rotiert wird und einen Nadelkopfdurchmesser
aufweist, der größer ist
als der Schaftdurchmesser der Nadel. Die Nadel soll dreieckförmig angespitzt
sein und weist daher eine Spitze mit einem gewünschten Kopfwinkel auf. Die Flanken
des Nadelkopfes können
ferner hinterschnitten sein.
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Eine
Nadel, die ebenfalls einen breiteren Kopf als Schaft zeigt, ist
auch in der
DE 44 38383
C2 zu sehen: Der Nadelschaft geht in eine breite Schneide
mit einem spitzen Dorn über.
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Eine
Verfeinerung der obigen Laufzeitmessung des Schalls mittels Impulshammer
wird durch die Impulstomographie erhalten, bei der multiple Impulslaufzeitmessungen
zu einem zwei- oder dreidimensionalen Messnetz verknüpft werden,
wodurch es möglich
ist, eine insgesamt komplexere Darstellung eines Defekts zu schaffen.
Zur Induktion von Impulsen muss zumindest ein Induktionsbolzen angebracht
werden, der geeignet ist, Schläge
aufzunehmen und in den Stamm weiterzuleiten. Entsprechende Signalaufnehmer
werden entsprechend korrespondierend um den zu analysierenden Körper herum
angeordnet. Die Abstände
zwischen induzierendem Bolzen und Signalempfängern sind bekannt, folglich
können
die gemessenen Laufzeiten entsprechend verwertet werden. Je höher die
Anzahl der Signalsender/-empfänger am
Körper
ist, desto höher
ist die Auflösung
hinsichtlich der Ma terialbeschaffenheit. Messungenauigkeiten am
vorliegenden System werden umso größer, je größer die Umfänge des zu bestimmenden Objekts
sind, da entsprechend die vom Schall zurückzulegenden Weglängen mit
dem Umfang des Objekts anwachsen.
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Im
Hinblick auf Druckimpuls erzeugende Werkzeuge lässt sich ein Drehschlag-Wendelbohrer
erwähnen,
wie er in der
DE 109
45 647 A1 offenbart ist, der grundsätzlich zwar Druckimpulse an
einem Objekt erzeugen kann, aber zur schonenden Untersuchung an
Objekten, insbesondere von Bäumen,
nicht ausgestaltet ist.
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Nach
Betrachtung der Nachteile der Verfahren des Standes der Technik
besteht daher immer noch das Erfordernis, ein Verfahren zur Untersuchung
der Beschaffenheit von Objekten wie Baumstämmen, jedoch aber auch zur
Untersuchung von säulenförmigen Körpern oder
Körpern
mit säulenförmigen Abschnitten,
die nicht aus Holz, sondern aus anderen Werkstoffen beschaffen sind,
zu schaffen, sowie entsprechende Vorrichtungen, die ein möglichst
schädigungsarmes
Eindringen einer Nadel in ein zu untersuchendes Objekt wie einen Holzstamm
erlauben.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die
Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Beschaffenheitsuntersuchung
von säulenförmigen oder
zylindrischen Abschnitten von Körpern
bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den
Merkmalen des unabhängigen Anspruchs
1 gelöst.
Bevorzugte Ausführungsformen
werden durch die Unteransprüche
beschrieben.
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Eine
weitere Aufgabe, die in der Schaffung eines verbesserten Bohrgeräts zur Ausführung des
Verfahrens mit einer gleichmäßig in ein
Objekt eindringenden Nadel besteht, wird durch ein Bohrgerät mit den
Merkmalen des unabhängigen
Anspruchs 8 gelöst.
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Schließlich wird
die Aufgabe der Bereitstellung einer verbesserten Vorrichtung zur
Ausführung
des Verfahrens mit einer Vorrichtung, die auch das Bohrgerät mit der
erfindungsgemäßen Bohrnadel
umfasst, und die die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 11 aufweist,
gelöst.
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Gemäß einer
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
kann die Beschaffenheit von säulenförmigen oder
zylindrischen Abschnitten von Körpern
untersucht werden, indem zunächst
eine Anzahl von Sensoren zur Aufnahme von Drucksignalen an einem
Umfang des entsprechenden säulenförmigen oder
zylindrischen Abschnitts des Körpers
in einer oder mehreren Ebenen angeordnet wird. Das Verfahren basiert
auf dem diskontinuierlichen Einführen
einer Bohrnadel mit Hilfe eines Bohrgeräts in einem näherungsweise
rechten Winkel zu einer Längsachse
des Abschnitts des Körpers,
der untersucht werden soll, wobei die Bohrnadel ein erfindungsgemäß kombiniertes
Verfahren durchführt,
indem sie, während
sie eine Einführbewegung
ausführt,
den Bohrwiderstand im umgebenden Material nach bekannten Bestimmungsverfahren
misst, sodann jedoch nach Zurücklegen
eines Streckenabschnitts entlang der zurückzulegenden Strecke innehält und erneut zur
Fortführung
der Bohrbewegung ansetzt, so dass durch die Unterbrechung ein Impuls
induziert wird. Durch das erneute in Bewegung Setzen des Bohrers
und wird somit Druck auf das das umgebende Matrial ausgeübt, der
sich als Druck- oder Schallwellen fortpflanzt.
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Dieser
Impuls erzeugt im Inneren des Materials Impulswellen, die sich von
der Quelle ausgehend ausbreiten. In Abhängig von der Homogenität des Materials
erfolgt die Ausbreitung mit einer definierten Ausbreitungsgeschwindigkeit,
die im Wesentlichen auf Dichte und Härte des Materials zurückzuführen ist.
Die Bohrnadel vollführt
damit die Aufgabe eines Impulshammers, während sie gleichzeitig als
Vorrichtung zur Bestimmung des Bohrwiderstands genutzt wird. Damit
wird vorteilhaft während
der Ausführung
nur einer einzigen Tätigkeit
die Erstellung zweier zur Materialbestimmung relevanter Datensätze möglich, nämlich der
Impulslaufzeitmessung zur Erstellung eines Impulstomogramms und
der Erstellung eines Bohrwiderstanddiagramms. Insofern, als die
Impulswellen unmittelbar im Inneren, bis hin zur maximalen Eindringtiefe
der Bohrnadel, erzeugt werden, ist es möglich, eine Abbildung der Beschaffenheit
des Kernmaterials von hoher Präzision
zu schaffen.
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In
einer weiteren Ausführungsform
werden die pro Streckenabschnitt gemessenen Widerstandswerte der
Bohrwiderstandsmessung mit dem erhaltenen Impulstomogramm korreliert,
wobei durch die Kombination der erhaltenen Messdaten, die unterschiedlicher
Art sind, zugleich eine Aussage über
Form und Größe und Lokalisierung
eines möglichen
Defekts sowie über
die Art des Defekts ermittelt werden kann.
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In
einer weiteren Ausführungsform
umfasst das Verfahren die Anordnung einer Anzahl von Sensoren zur
Aufnahme der Impulssignale, die von der als Impulshammer genutzten
Bohrnadel erzeugt werden, in zwei oder mehr Ebenen am Umfang des
Körpers,
so dass die Ausdehnung einer eventuellen Schädigung im Inneren des Körpers besser
erfasst werden kann. Wenn in mehreren Ebenen eine Messung erfolgt,
wobei die Nadel dann in jede Ebene eingeführt wird, kann eine hochgenaue
dreidimensionale Abbildung des Zustandes des Materials bereitgestellt
werden. Damit wird vorteilhaft ermöglicht, festzustellen, inwieweit
beispielsweise Randbereiche des Körpers intakt sind und entlang
welcher Länge
des Körpers
diese Intaktheit und somit Verkehrssicherheit oder Nutzbarkeit des
Körpers
noch gegeben ist. Durch den kleinen Durchmesser der Nadel, der an ihrer
Spitze gerade 0,8 bis 4,0 mm betragen wird, wird der Baum minimal
invasiv untersucht, bei gleichzeitigem Erhalt zweier verschiedener
Datensätze,
die auf unterschiedlichen und voneinander unabhängigen physikalischen Parametern
und somit Messverfahren basieren. Werden diese Datensätze zusammengeführt, ist
vorteilhaft eine präzise
Aussage über
den tatsächlichen
Materialzustand möglich.
Die gleichzeitige Erfassung der unterschiedlichen Parameter Impulslaufzeit
und Bohrwiderstand erlaubt zudem ein besonders zeitökonomisches
Vorgehen.
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Eine
weitere Ausführungsform
des Verfahrens bezieht sich darauf, dass das Verfahren zunächst an einem
Kalibrier-Körper
ausgeführt wird,
um mittels bekannter Materialqualität Vergleichsmesswerte bereit
zu stellen. Weiter ist die Ausführung
des Verfahrens an einem tatsächlich
zu untersuchendem Körper
umfasst, der kein Kalibrierkörper
ist, wobei das erhaltene Impulstomogramm und die erhaltenen Bohrwiderstandsmessungen
mit den entsprechenden Vergleichsmesswerten des Kalibrierkörpers verglichen
werden, so dass in Abhängigkeit
der Abweichungen der erhaltenen Werte eine Schädigung des Untersuchungskörpers ermittelt
werden kann.
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Noch
eine Ausführungsform
des Verfahrens bezieht sich darauf, dass die Messdaten unmittelbar
einer Datenverarbeitungssoftware zugeführt werden, um vorteilhaft
schnell und präzise
die Auswertung vorzunehmen.
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Ferner
beziehen sich Ausführungsformen
darauf, dass das Verfahren an Körpern
wie Bäumen
ebenso ausgeführt
werden kann wie an Körpern,
die aus Stein beschaffen sind, so dass das erfindungsgemäße Verfahren
ebenfalls der Beschaffenheitsuntersuchung von zylindrischen oder
säulenförmigen Körpern aus
unterschiedlichsten Baumaterialien dient, die dazu neigen, vom Kern
beginnend nach außen
hin zu verwittern. Es können
dies beispielsweise Gebäudesäulen aus
Sandstein oder Laternenmasten aus Beton oder sein, die röhrenförmig ausgebildet
sind und die insofern dazu neigen, mittels Kapillarkräften entlang
der Innenseite des Rohres gezogenes Wassers in Verwitterungsprozessen
des Materials umzusetzen, da vielfach eine Trockenhaltung des hohlen
Kerns des Materials nicht möglich
ist.
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Vorteilhaft
ist das erfindungsgemäße Verfahren
dabei nur minimal invasiv, der Körper,
der ein Stamm eines lebenden Baumes oder auch eine Betonsäule sein
kann, wird daher nur insoweit geschädigt, als eine Nadel in den
Körper
eingeführt
wird; die Entnahme von Material in größerem Umfang wird vermieden
und somit eine Materialschwächung
oder Schädigung
an der Untersuchungsstelle auf ein Mindestmaß begrenzt.
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Um
eine solche Schädigung
minimal zu halten, wird vorteilhaft ein Bohrgerät zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
offenbart, das mit einer speziell geformten Nadel bestückt werden
kann. Diese Bohrnadel hat den bekannten zylindrischen Nadelschaft,
der jedoch über
einen Keilabschnitt in eine scharfe und glatte Schneide mündet. Um
zu bewirken, dass die Nadel gleichmäßig rotiert und verdrängtes Material
in Richtung des Nadelschafts verschoben wird, und um unerwünschte Kanten,
an denen Material hängen
bleiben könnte
zu vermeiden, weist die Bohrnadel einen Keilabschnitt auf, der in
die Schneide mündet.
Dabei zeigt der Kopf der Nadel in der Seitenansicht eine andere
Kontur als in der Frontansicht: In der Frontansicht ergibt sich eine
erste Symmetrieebene in Bezug zu einer zentralen Drehachse der Nadel,
die eine Breite der Schneide zeigt, wobei die Schneidenbreite größer ist
als ein Durchmesser des zylindrischen Nadelschafts. Der Übergang
von dem Nadelschaft entlang des Keilabschnitts zu den beiden Enden
der Schneide – die
beiden „Flanken” am Nadelkopf – verläuft dabei
mit einer gleichmäßigen Krümmung.
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Aus
der Seitenansicht zeigt sich, dass die Nadel eine zweite Symmetrieebene
in Bezug zu der zentralen Drehachse aufweist, die orthogonal zu
der erste Symmetrieebene und durch die zentrale Drehachse verläuft, wobei
der Keilabschnitt eine geringere Neigung in Bezug auf die zentralen
Drehachse aufweist als die in einen Grat mündende Schneide. Damit kann
die Nadel störungsfrei
und gleichmäßig in ein
Objekt eindringen, ohne Material am Nadelkopf anzusammeln.
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Das
Bohrgerät
mit der erfindungsgemäßen Nadel
ist daher besonders auch auf Grund der Nadelform eine bedeutende
Komponente in der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Um dieses auszuführen,
bedarf es ferner entsprechender Mittel zum Aufzeichnen von Signalen,
die etwa durch die Impulsgabe und das Vordringen der Nadel in das
Objekt unter Erzeugung eines Bohrwiderstands hervorgerufen oder
aufgenommen wurden; die Bohrnadel ist daher mit den Aufzeichnungsmitteln
operativ gekoppelt. Weiter sind in der Vorrichtung Sensoren umfasst,
die zur Aufnahme von Drucksignalen an dem Umfang des säulenförmigen oder
zylindrischen Abschnitt des Objekts angeordnet werden; die von den Sensoren
erfassten Signale können
auch mittels einer entsprechender Aufzeichnungsvorrichtung aufgezeichnet
werden, wobei diese den Sensoren zugeordnete Aufzeichnungsvorrichtung
mit der Aufzeichnungsvorrichtung, die mit der Nadel gekoppelt ist,
in einem Gerät
untergebracht sein kann. Anordnungen von Antriebsaggregaten mit
Bohrnadelschaft und geführter
Bohrnadel sowie mit Aufzeichnungsmitteln, die entsprechend mit der
Nadel oder Sensoren gekoppelt sind, sind dem Fachmann bekannt.
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Eine
Verbesserung der Präzision
der Messergebnisse und der Aussage über die Materialqualität wird bereitgestellt.
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Weitere
Ausführungsformen,
sowie einige der Vorteile, die mit diesen und weiteren Ausführungsformen
verbunden sind, werden durch die nachfolgende ausführliche
Beschreibung deutlich und besser verständlich. Unterstützend hierbei
ist auch der Bezug auf die Figuren in der Beschreibung. Gegenstände oder
Teile derselben, die im Wesentlichen gleich oder sehr ähnlich sind,
können
mit denselben Bezugszeichen versehen sein.
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1a zeigt
eine Seitenansicht eines Baums bei der Verwendung eines bekannten
Bohrgeräts
mit Bohrnadel bei der Ausführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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1b zeigt
eine Seitenansicht eines Baums bei der Verwendung des Bohrgeräts aus 1a bei
einer in Richtung der Wurzel des Baumes weisenden Impulsbohrung,
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2 zeigt
das Messprinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens bei der Draufsicht
auf einen Kreisquerschnitt eines zu untersuchenden Zylinders,
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3 zeigt
eine Seitenansicht einer Verwendung einer für das erfindungsgemäße Verfahren
geeigneten Bohrnadelspitze,
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4 zeigt
eine perspektivische Ansicht einer Betonsäule bei der Verwendung des
erfindungsgemäßen Verfahrens.
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5 zeigt
eine perspektivische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Bohrgeräts,
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6a zeigt
eine Draufsicht auf das Bohrgerät
aus 5 mit daran angeordneten Aufzeichnungs- und Führungsmitteln,
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6b zeigt
eine Seitenansicht der Vorrichtung aus 6a,
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7a zeigt
eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Bohrnadel,
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7b zeigt
eine Seitenansicht auf die erfindungsgemäße Bohrnadel aus 7a,
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7c verdeutlicht
die Symmetrieebenen, die in der erfindungsgemäßen Bohrnadel vorliegen,
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8a zeigt
beispielhaft einen möglichen
Messkurvenverlauf bei Aufnahme von Druckimpulsen und Bohrwiderstandsmessung
bei einer Untersuchung eines Baumstammes, wenn die Bohrnadel aus
gesundem Holz auf Braunfäule
trifft;
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8b zeigt
beispielhaft einen möglichen
Messkurvenverlauf bei Aufnahme von Druckimpulsen und Bohrwiderstandsmessung
bei einer Untersuchung eines Baumstammes, wenn die Bohrnadel aus
gesundem Holz auf Moderfäule
trifft,
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8c zeigt
beispielhaft einen möglichen
Messkurvenverlauf bei Aufnahme von Druckimpulsen und Bohrwiderstandsmessung
bei einer Untersuchung eines Baumstammes, wenn die Bohrnadel aus
gesundem Holz auf Weißfäule trifft.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Untersuchung der Beschaffenheit von Körpern kann vorteilhaft sowohl
für Materialien
aus Holz, wie Bäume,
als auch für
Stein, Beton und Baustoffgemischen aus Beton und Stein, einge setzt
werden. Naturgemäß lässt sich
das erfindungsgemäße Verfahren
am präzisesten
ausführen, wenn
die untersuchten Körper
zylindrisch, näherungsweise
zylindrisch oder säulenförmig sind,
wobei unter einer Säulenform
ein längliches
geometrisches Element definierter Geometrie verstanden wird, wie
beispielsweise ein Konus oder auch eine Säule von rechteckiger, quadratischer
oder polyedrischer Grundfläche.
Auch konische Säulen
mit elliptischer Grundfläche
lassen sich gut heranziehen um das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.
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Wenn
vorliegend von einem zu untersuchendem Abschnitt des Körpers gesprochen
wird, dann ist beispielsweise ein Abschnitt eines Baumstamms gemeint,
nicht jedoch seine Krone; oder ein Abschnitt eines Beton-Strommastes, nicht
jedoch sein Kopf, der der Halterung elektrischer Leitungen dient.
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Um
das erfindungsgemäße Verfahren
auszuführen,
werden zunächst
wenigstens zwei, vorzugsweise eine Vielzahl von Sensoren zur Aufnahme
von Drucksignalen in zumindest einer Ebene an einem Umfang des zu
untersuchenden, säulenförmigen oder
zylindrischen Abschnitts des Körpers
angeordnet.
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1a zeigt
beispielhaft die Ausführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
an einem Baumstamm 1, an dessen Umfang eine Vielzahl von
Sensoren 3 in einem Schritt a) angeordnet werden, wobei
drei Reihen von Sensoren 3 in horizontalen Ebenen E1, E2, E3 angeordnet
zu sehen sind, die ergänzt
werden von weiteren Sensoren 3 an der nicht zu sehenden
Seite des Baumstamms 1. Ein Bohrgerät 2, das eine Bohrnadel 2' aufweist, ist
an dem Baumstamm 1 angesetzt, damit von einer Einführstelle 4 die
Bohrnadel 2' diskontinuierlich bis
zu einer vorbestimmten Eindringtiefe radial in Richtung der Längsachse
A-A des zu untersuchenden Abschnitts in den Baum eingeführt werden
kann. Die Durchführung
dieses Schrittes b) erfolgt an einem Baum auf völlig analoge Weise wie an einer
Beton- oder Steinsäule.
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Das
diskontinuierliche Einführen
der Bohrnadel 2' in
Schritt b) um fasst das Impuls induzierende Anhalten und wieder Anfahren
der Bohrnadel 2',
nachdem die Bohrnadel 2' einen
Streckenabschnitt s1 auf der Strecke s zwischen
der Einführstelle 4 der
Bohrnadel 2' am
Umfang 1 des Körpers
und einer Stelle 4' der
vorbestimmten Einführtiefe
zurückgelegt
hat. Der Vortrieb der Nadel 2' wird an dieser Stelle unterbrochen,
die Nadel 2' kommt
zur Ruhe und der Vortrieb wird erneut eingeschaltet. Durch dieses
Anhalten der Bohrnadel 2' und erneutes
Aufnehmen des Vortreibens wird der gewünschte Impuls im Inneren des
zu untersuchenden Baumes induziert. Auf diese Weise werden die weiteren
Streckenabschnitte s2 und s3 zurückgelegt.
Die Eindringtiefe bei dem erfindungsgemäßen Bohrwiderstands-Impulsmessverfahren
hängt dabei
letztlich von der Länge
der Bohrnadel ab, die gegebenenfalls eine Länge haben kann, die bis zur
Längsachse
des zu untersuchenden Objekts reichen kann.
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1b zeigt
alternativ eine Ausführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens,
bei dem die Bohrnadel 2' nach
unten geneigt in den Baumstamm 1 eingeführt wird. Es entsteht ein Winkel α mit 45° zwischen
Bohrachse und der Längsachse
A-A des zu untersuchenden Abschnitts des Baumsstamms 1.
Indem die Impulse in Richtung der Baumwurzel gelenkt werden, ist
es möglich,
insbesondere von der Wurzel her kommende Fäulnis zu erfassen. Entsprechendes
Anordnen der Sensoren 3 im unteren Baumstammbereich ist
erforderlich. Weiter wird bei der Auswertung der Messergebnisse
aus Impulslaufzeitmessung und Bohrwiderstandsmessung der Winkel α rechnerisch
berücksichtigt.
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Durch
das Anhalten und wieder Anfahren der Nadel 2' breiten sich Impulswellen vom
Ort ihrer Erzeugung kugelförmig
nach außen
fort, und überall
dort, wo Sensoren 3 angeordnet sind, kann der ankommende Druckimpuls
detektiert werden. Wenn eine Anzahl von Sensoren 3 auf
drei Ebenen E1, E2,
E3 verteilt ist, wie in 1a am
Umfang 1 des Baumes gezeigt, so können die ankommenden Druckimpulse
in drei Ebenen E1, E2, E3 gemessen werden. Damit erfolgt eine Messwerterfassung
in drei unterschiedlichen Höhen
des Baumstamms 1, obgleich das Einführen der Bohrnadel 2' lediglich entlang
einer Strecke s ausgeführt
wird. Natürlich kann
die Nadel 2' dann
zur ergänzenden
Messwerterfassung und zur Erhöhung
der Genauigkeit auch in den weiteren Ebenen an einer Einführstelle
angesetzt und eingeführt
werden.
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Die
schädigenden
Wirkung invasiver Verfahren wird damit im Vergleich zu anderen Verfahren
erheblich minimiert, darüber
hinaus ist eine präzisere
Messwerterfassung möglich,
da die Impulse im Inneren des zu untersuchenden Körpers erzeugt
werden und insofern in allen Fällen
eine kürzere
Strecke, verbunden mit höherer
Messgenauigkeit, zurückzulegen
haben, als wenn die Messung lediglich durch einen Impulshammer am äußeren Umfang
des Körpers
erfolgt. Wenn der erste Impuls abgesetzt ist, bewegt sich die Bohrnadel
weiter in Richtung der Längsachse
A-A des Körpers,
um die vorbestimmte Eindringtiefe zu erreichen. Während dieses
Vortriebs wird vorteilhaft erneut eine Bohrwiderstandsmessung über den
nächsten
Streckenabschnitt s2 ausgeführt. Damit
wird während
des diskontinuierlichen Einführens
der Bohrnadel 2' bei
Ausführen
nur eines Arbeitsschrittes zeitsparend ermöglicht, zwei auf unterschiedlichen
physikalischen Parametern basierende Messwertdatensätze bereitzustellen,
die zum Einen zum Erstellen eines Bohrwiderstandsdiagramms und zum Anderen
zum Erstellen eines Impulstomogramms (Schritt d) genutzt werden
können
bereitstellen, da die angeordneten Drucksignale aufnehmenden Sensoren
zur Impulslaufzeitmessung genutzt werden.
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Durch
eine Korrelation in Schritt c) der Widerstandswerte, die durch die
Bohrwiderstandsmessung erhalten werden, und der Impulslaufzeitdaten,
die auch in ein Impulstomogramm überführt werden
können,
wird daher ein Datensatz bereitgestellt, der es ermöglicht,
eine eventuelle Schädigung
des Materials in kürzest möglicher
Messzeit aufzunehmen und eine präzise
Lokalisierung durchzuführen.
Darüber
hinaus ergibt die Korrelation der auf den unterschiedlichen Parametern
basierenden Messwerte eine Aussage über die Art der Schädigung.
Dies ist beispielsweise bei der Untersuchung von Holz relevant,
wenn festgestellt werden soll, ob das Holz unter einer Fäulnis leidet
oder ob lediglich auf Grund bestimmter Wachstumsbedingungen sehr
weiches Holz, das jedoch gesund ist, vorliegt.
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Unterschiedliche
Fäulnisarten
führen
entsprechend zu unterschiedlichen Resultaten: So zeigt 8a beispielhaft
einen möglichen
Messkurvenverlauf bei Aufnahme von Druckimpulsen P und gleichzeitig
ausgeführter
Bohrwiderstandsmessung T bei einer Untersuchung eines Baumstammes,
der unter Braunfäule
leidet, wie sie etwa durch den Schwefelporling hervorgerufen wird,
wenn die Bohrnadel aus dem gesundem Holz in das braunfaule Holz
einbricht. Die durch Druckimpulse erhaltenen Signale zeigen einen
Verlauf, der dem der Bohrwiderstandsmessung entspricht, während bei
einer Moderfäule,
die durch einen Brandkrustenpilz erzeugt werden kann, siehe 8b,
der Verlauf der Bohrwiderstandsmess-Signale T sich wie bei der Braunfäule verhält, wohingegen
die Druckimpuls-Signale P sich gegenläufig verhalten. Damit lassen
sich die beiden Fäulnisarten
unterscheiden.
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In 8c zeigt
sich, dass der Bohrwiderstand T bei der aufgetretenen Weißfäule sprunghaft
ansteigt, und nach Erreichen eines Plateaus wieder abfällt, wohingegen
die Druckimpulswerte P beim Übergang
in das weißfaule
Holz sprunghaft abfallen.
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Das
in 2 gezeigte Messprinzip verdeutlicht an einer Ebene
E1, die vorliegend ein Kreisquerschnitt eines zu untersuchenden
Abschnitts einer Säule
ist, wie das Einführen
der Bohrnadel bei Anordnung einer Anzahl von sieben Sensoren 3 zu
einer Vielzahl von Impulslaufzeitmesswerten führt, da durch die Impulswellenentwicklung
von innen nach außen
eine Vielzahl von durch die Impulswellen zurückgelegten Messstrecken s zu
jedem Sensor 3 zurückgelegt
wird, da jeder Sensor 3 bei jedem Anhalten und Anfahren
der Nadel erneut angesprochen wird. Der erhaltene Datensatz ist
um ein mehrfaches höher,
als wenn die Messung lediglich von außerhalb des Umfangs erfolgt.
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Um
die erhaltenen Messwerte entsprechend auswerten zu kön nen, ist
es erforderlich, das Verfahren zunächst in Schritt b1)
an Kalibrierkörpern
auszuführen,
also beispielsweise an Holz, dass über eine gewünschte Gesundheit
verfügt.
Damit können
entsprechende Vergleichsdaten bestimmt werden. Wird das Verfahren nun
in Schritt b2) an einem Messkörper, der
kein Kalibrierkörper
ist, ausgeführt,
so können
die erhaltenen Messwerte den Vergleichsmesswerten des Kalibrierkörpers gegenüber gestellt
werden (Schritt e) und es kann ein Rückschluss aus der Differenz
der Soll- und Ist-Werte gezogen werden. So kann ermittelt werden
(Schritt f), welcher Umfang einer Schädigung des Untersuchungsobjekts
vorliegt.
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Ferner
ist es möglich,
dass die Bohrnadel in unterschiedlichen Höhen des Objekts eingeführt wird,
wobei bei entsprechender Anordnung mehrerer Ebenen von Sensoren
eine dreidimensionale Abbildung der Materialbeschaffenheit erzielt
wird. Damit kann zielgerichtet festgestellt werden, wie groß das Ausmaß des Schadens
des zu untersuchenden Körpers
ist. Bei iterativer Vorgehensweise kann dabei die minimal invasive
Untersuchung so ausgeführt
werden, dass lebendes Material wie ein Baum möglichst wenig geschädigt wird.
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Die
Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens ist eine herkömmliche
Bohrvorrichtung, die eine Bohrnadel 2' antreibt, wie diese in 3 gezeigt
ist; deren Nadelkopfdurchmesser größer ist als ihr Nadelschaft,
der dort 1,5 mm beträgt.
Weitere, bevorzugte Nadelformen sind in 7a bis 7c gezeigt.
Wie aus 7a deutlich wird, weist die
erfindungsgemäße Bohrnadel 2' einen zylindrischen
Nadelschaft 11 auf, der über einen Keilabschnitt 12 in
eine Schneide 13 mündet.
Der Keilabschnitt 12 und die Schneide 13 weisen
eine erste Symmetrieebene 15 in Bezug zu einer zentralen
Drehachse B-B der Nadel 2' auf,
wie in 7c verdeutlich wird. Die erste
Symmetrieebene 15 zeigt, dass eine Breite der Schneide 13 größer ist
als ein Durchmesser des zylindrischen Nadelschafts 11,
wobei der Übergang
von dem Nadelschaft 11 entlang des Keilabschnitts 12 zu
den beiden Enden der Schneide 13 gekrümmt verläuft, und quasi eine Flanke
bildet.
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Dem
Keilabschnitt 12 und der Schneide 13 kann eine
zweite Symmetrieebene 15' in
Bezug der zentralen Drehachse B-B zugewiesen werden, die orthogonal
zu der erste Symmetrieebene 15 und durch die zentrale Drehachse
B-B verläuft.
Der Keilabschnitt 12 zeigt eine geringere Neigung in Bezug
auf die zentrale Drehachse B-B als die in einen Grat mündende Schneide 13.
Damit ist eine Bohrnadel 2' geschaffen,
die das Material des zu untersuchenden Objekts geeignet verdrängt und
auf Grund der Flanke keine Sammlung des verdrängten oder gelösten Materials
hinter dem Kopf der Bohrnadel 2' zulässt.
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Geeigneter
Weise liegt der Durchmesser des zylindrischen Nadelschafts 11 der
Bohrnadel 2' einen
in einem Bereich von 0,5 bis 2,5 mm, bevorzugt von 1,0 mm bis 1,5
mm, während
die Schneide 13 eine Breite in einem Bereich von 0,8 bis
4,0 mm, bevorzugt von 1,0 mm bis 2,0 mm aufweist.
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Das
Bohrgerät 2,
wie es in 5 beispielhaft dargestellt ist,
und das mit der erfindungsgemäßen Nadel 2' bestückt wird,
weist einen mit einem Antriebsaggregat 20, das eine handelsübliche Handbohrmaschine
sein kann, operativ gekoppelten Bohraufsatz 16 auf, der
in einem Gehäuse
oder zumindest, wie vorliegend gezeigt, zwischen zwei Halteplatten
ein Getriebe 17 enthält.
Das Getriebe überträgt das durch
das Antriebsaggregat 20 erzeugte Drehmoment über das
Getriebe 17 – das
ein Planetengetriebe sein kann – über die
Bohrnadel-Aufnahmevorrichtung 2'' auf
die Bohrnadel 2'.
Im Zusammenhang mit 6a und 6b erschließt sich der
Sinn der Konstruktion der Bohrvorrichtung: Die dort gezeigte Vorrichtung
umfasst neben dem Bohrgerät 2 auch
die Mittel 14 zum Aufzeichnen der von durch die Bohrnadel 2' erzeugten oder
aufgenommenen Signale, wobei die Mittel 14 zum Aufzeichnen
im Übrigen
auch die aus der Impulslaufzeitmessung resultierenden und von den
Sensoren detektierten Signale aufzeichnen können. Diese Aufzeichnungsmittel
umfassen eine die Bohrnadel 2' stabilisierende und führende Haltevorrichtung,
die mit dem Bohraufsatz 16 verbunden ist.
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Die
zu der Gesamtvorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
gehörenden
Sensoren sind in 6a und 6b nicht
gezeigt.
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Die
so beschaffene, geführte
und stabilisierte Bohrnadel ist geeignet, mit dem offenbarten Bohrgerät und der
das Bohrgerät
umfassenden Vorrichtung das erfindungsgemäße Verfahren zur Untersuchung
der Beschaffenheit von säulenförmigen oder
zylindrischen Abschnitten von Objekten aus Holz, aus natürlichem
Stein oder aus Stein enthaltendem Werkstoff, aus Beton oder einer
Werkstoffkombination aus Stein und Beton auszuführen.
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4 zeigt
die Ausführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
an einem Betonmast 10, wie er beispielsweise als Elektromast
verwendet wird. Wenn ein solcher Mast 10 aus Herstellungsgründen innen
hohl ist, neigt er dazu, von innen heraus zu korrodieren, etwa,
wenn im Inneren des Mastes 10 Feuchtigkeit durch Kapillarkräfte in die
Höhe gezogen
wird. Zersetzungsmechanismen des Betons setzen ein und Korrosionsstellen 6 bilden
sich.
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Derartige
Zersetzungsmechanismen kommen auch in natürlichen Materialien vor, wie
beispielsweise bei Sandstein. Eine Vielzahl natürlicher Materialien ist derartigen
Zersetzungsvorgängen
ausgesetzt, ob sie nun als röhrenförmige oder
zumindest innen teilweise hohle Objekte oder als Massivobjekte eingesetzt
werden. Auch hier ist es überaus
vorteilhaft, wenn das Untersuchungsverfahren schnell, reproduzierbar
und präzise
ohne Schädigung
des Materials durch das Untersuchungsverfahren selbst ausgeführt werden
kann, daher ist das erfindungsgemäße Verfahren besonders geeignet
zur Untersuchung auch solcher Baukörper. Die Nadel wird dabei
in den Randbereich des Objekts eingeführt und es werden Impulse induziert.
Völlig
analog wie bei der Untersuchung des Baumes weisen die Ausbreitungsgeschwindigkeiten
der Impulswellen unterschiedliche Laufzeiten auf, wenn das Material
korrodiert, also geschädigt
ist, und daher hohl, porös
oder auf an dere Weise instabil ist, wodurch, wenn keine ausreichende
Randschicht mehr vorhanden ist, um den Körper zuverlässig zu stabilisieren, der
Körper
eine Verkehrsgefährdung
darstellen kann. Durch Heranziehen eines Vergleichsobjekts als Kalibriergegenstand
kann sehr schnell der Zustand des Materials geprüft und Schädigungen festgestellt werden.
Der Fachmann weiß,
dass das Bereitstellen von Vergleichsmesswerten, das Vergleichen von
Vergleichsmesswerten und das Ermitteln einer Schädigung des Untersuchungsobjekts
durch Differenzbetrachtung zwischen Messobjekt und Kalibrierobjekt
mittels einer elektronischen Auswertung erfolgen kann. Ferner ist
dem Fachmann bekannt, wie er eine dreidimensionale Darstellung der
Messwerte erzielt. BEZUGSZEICHENLISTE
| 1 | Baum |
| 2 | Bohrgerät |
| 2' | Bohrnadel |
| 3 | Sensoren
zur Impulsdetektion |
| 4 | Einführstelle |
| 4' | Stelle
der vorbest. Einführtiefe |
| 5 | Impulswellen |
| 6 | Korrosionsstellen |
| 10 | Säule |
| 11 | Nadelschaft |
| 12 | Nadelkopf |
| 13 | Schneide |
| 14 | Aufzeichnungs-
und Führungsmittel |
| 16 | Bohraufsatz |
| 17 | Getriebe |
| 20 | Antriebsaggregat |
| A-A | Längsachse
des Objekts |
| B-B | Drehachse
der Bohrnadel 2' |
| E1, E2, E3, | horizontale
Ebene |
| s | Strecke |
| sn, s1, s2,
s3 | Streckenabschnitt |