DE102018001448A1

DE102018001448A1 - Vorrichtung für geoelektrische Messungen an versiegelten Oberflächen

Info

Publication number: DE102018001448A1
Application number: DE102018001448.8A
Authority: DE
Inventors: Carsten Lohse; Christoph Donié; Martin Gruber; Bernd Langer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2018-02-22
Filing date: 2018-02-22
Publication date: 2019-08-22
Anticipated expiration: 2038-02-23
Also published as: DE102018001448B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für geoelektrische Messungen an versiegelten Oberflächen, wobei die Vorrichtung mindestens eine Messeinheit mit einer Elektrode für eine zerstörungsfreie Untersuchung des Materialzustandes jenseits von frei zugänglichen Oberflächenabschnitten aufweist. Aufgabe der Erfindung ist es, für diesbezügliche Untersuchungen eine Elektrode und ein zuordenbares Trägersystem zu schaffen, das eine ausreichend große Kontaktfläche zur Betonoberfläche, eine einfache und zerstörungsfreie Befestigung des Systems an die Bauwerksoberfläche und einen funktionell sicheren Ausgleich von Unebenheiten und Oberflächenstrukturen der Oberfläche ermöglicht. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Messeinheit (1) eine im Wesentlichen zylinderförmige Außenkontur und bezogen auf ihre Längsrichtung sowie ausgehend von der in Funktionslage oberen Stirnseite ein äußeres glockenförmiges Gehäuse (2), ein erstes inneres glockenförmiges Gehäuse (3) sowie ein zweites inneres glockenförmiges Gehäuse (4) aufweist, wobei am äußeren Gehäuse (2) eine untere kreisringförmige Stegkontur ausgestaltet ist, die von einem Endabschnitt einer ersten Balgdichtung (7) umgriffen ist, die mit ihrem anderen Endabschnitt an der Außenfläche des ersten inneren Gehäuses (3) anliegt, wobei in der oberen Stirnfläche des ersten inneren Gehäuses (3) eine Buchse (8) lagefixiert angeordnet ist, die sich durch eine an der oberen Stirnfläche des zweiten inneren Gehäuses (4) ausgestaltete Öffnung bis in den Innenraum des zweiten inneren Gehäuses (4) erstreckt, wobei in diesem Innenraum eine Kontaktscheibe (9) mit einem Stecker (10) angeordnet ist, wobei unterhalb der Kontaktscheibe (9) ein Flüssigkeitsspeicher (11) für Elektrolyt angeordnet ist, wobei an der in Funktionslage unteren Stirnseite der Messeinheit (1) eine Membran (12) angeordnet ist und wobei die umlaufende Stirnseite der Membran (12) von einem Endabschnitt einer zweiten Balgdichtung (13) umgriffen ist, die mit ihrem anderen Endabschnitt an der Außenfläche des zweiten inneren Gehäuses (4) anliegt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für geoelektrische Messungen an versiegelten Oberflächen für eine zerstörungsfreie Untersuchung des Materialzustandes jenseits der Oberfläche, wobei die Vorrichtung mindestens eine Messeinheit mit einer Elektrode für eine zerstörungsfreie Untersuchung des Materialzustandes jenseits von frei zugänglichen Oberflächenabschnitten am jeweiligen Untersuchungsobjekt aufweist.
Geoelektrische Messverfahren werden seit Jahrzehnten erfolgreich eingesetzt, um die Beschaffenheit von Materialien jenseits direkt zugänglicher Bereiche von einer Oberfläche aus zu erkunden. Als Beispiel sei hier die Erkundung geologischer Strukturen im Untergrund genannt. Dabei wird mittels Stromelektroden ein elektrisches Feld im Untergrund induziert. Über sogenannte Potentialelektroden wird an verschiedenen Positionen der Oberfläche die resultierende Potentialdifferenz gemessen. Über inverse Interpretationsverfahren können auf diese Weise Informationen über die elektrischen Eigenschaften des Untergrundes und damit über Strukturen und materielle Zusammensetzung im Messbereich gewonnen werden.
Bei nicht versiegelten Oberflächen werden in der Regel Edelstahlelektroden (Erdspieße) eingesetzt. Bei versiegelten Oberflächen, z. B. auf asphaltierten Flächen, können Löcher in die Oberfläche gebohrt werden, um die Elektroden zu platzieren. Allerdings ist ein gut leitender Kontakt zwischen der Elektrodenoberfläche und dem umgebenden Boden erforderlich, um einen Strom in der erforderlichen Größenordnung einleiten zu können. Dies wird z. B. erreicht, indem ein quellfähiger Calcium-Bentonit in den Ringraum zwischen Elektrode und Bodenschicht eingefüllt und das System Elektrode-Boden mit einer leitfähigen Flüssigkeit (Salzlösung) gewässert wird. Ebenfalls seit Jahrzehnten ist bekannt, dass sich dieses Grundprinzip bei Messungen auf versiegelten Oberflächen, z. B. Betonbauteilen, Felsoberflächen etc. adaptieren lässt, indem Elektroden eingesetzt werden, die den Kontakt über eine definierte Fläche herstellen (z.B. Membran analog Labormembran, mit Bentonit gefüllter Baumwoll- oder Jutesack).
Je nach Problemstellung ist eine Zerstörung der Oberfläche, auf der die Messelektroden platziert werden, z. B. durch das Bohren von Löchern, nicht möglich bzw. nicht zielführend. Anwendungsbereiche, bei denen in der Regel eine zerstörungsfreie Ankopplung der Elektroden an die Messoberfläche erforderlich ist, sind beispielsweise Untersuchungen an Wandabschnitten von Ingenieurbauten aus Beton, Untersuchungen des Materialzustandes hinter Tübbingen im Tunnelbau, hinter Stützwänden im Straßen- und Eisenbahnbau oder unterhalb von Bodenplatten und dergleichen. Aus den Messergebnissen lassen sich Rückschlüsse auf Materialien und Strukturen jenseits der Bauwerksoberflächen ziehen - beispielsweise sind Aussagen zum Verfüllungsgrad, zum homogenen oder inhomogenen Aufbau, zu einer Hohlraumbildung usw. möglich.
Trotz der Vielzahl bekannter technischer Lösungen besteht weiterhin Entwicklungsbedarf für derartige Messvorrichtungen, wobei hochauflösende Messungen angestrebt werden, die standardmäßig unter primär ökonomischen Aspekten durchführbar sind.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, für Untersuchungen an versiegelten Oberflächen, wie z.B. an Wandabschnitten von Ingenieurbauten aus Beton, eine Messeinheit und ein Trägersystem für eine oder mehrere Messeinheiten zu schaffen, das eine einfache und zerstörungsfreie Befestigung des Systems an der Oberfläche und einen ausreichend gut leitenden Kontakt zwischen Elektroden und Oberfläche ermöglicht, um entsprechende Messungen zu realisieren. Außerdem soll ein funktionell sicherer Ausgleich von Unebenheiten und Oberflächenstrukturen erzielt werden. Des Weiteren sollen gleiche Andruckkräfte aller Elektroden des Systems an die Messoberfläche und eine Speicherung der für die Kontaktierung notwendigen leitfähigen Flüssigkeit für mehrere Messvorgänge realisiert werden.
Diese Aufgabe wird gelöst, indem die Messeinheit eine im Wesentlichen zylinderförmige Außenkontur und bezogen auf ihre Längsrichtung sowie ausgehend von der in Funktionslage oberen Stirnseite ein äußeres glockenförmiges Gehäuse, ein erstes inneres glockenförmiges Gehäuse sowie ein zweites inneres glockenförmiges Gehäuse aufweist. Am äußeren Gehäuse ist eine untere kreisringförmige Stegkontur ausgestaltet, die vom Endabschnitt einer ersten Balgdichtung umgriffen ist und die mit ihrem anderen Endabschnitt an der Außenfläche des ersten inneren Gehäuses anliegt. In der oberen Stirnfläche des ersten inneren Gehäuses ist eine Buchse lagefixiert angeordnet, die sich durch eine an der oberen Stirnfläche des zweiten inneren Gehäuses ausgestaltete Öffnung bis in den Innenraum des zweiten inneren Gehäuses erstreckt. In diesem Innenraum ist eine Kontaktscheibe mit einem Stecker angeordnet, wobei unterhalb der Kontaktscheibe ein Flüssigkeitsspeicher für Elektrolyt angeordnet ist. An der in Funktionslage unteren Stirnseite der Messeinheit ist eine Membran angeordnet, wobei die umlaufende Stirnseite der Membran vom Endabschnitt einer zweiten Balgdichtung umgriffen ist, die mit ihrem anderen Endabschnitt an der Außenfläche des zweiten inneren Gehäuses anliegt.
Bei dieser Messeinheit sind demzufolge das äußere Gehäuse und das erste innere Gehäuse mit einem elastischen großen Balg dicht miteinander gekoppelt und bilden so ein abgeschlossenes System. Das äußere Gehäuse verfügt über einen Schlauchanschlussnippel und eine ebenfalls dichte Durchführung für den Elektrodenanschluss. Der Elektrodenanschluss ist mit der im Innenraum montierten Buchse verbunden.
Der elektrisch aktive Teil der Messeinheit als eigentlicher Sensor besteht aus dem zweiten inneren Gehäuse, einem kleineren Balg, einem Flüssigkeitsspeicher, einer Membran, einer Kontaktscheibe und einem Stecker. Dieser Sensor lässt sich mittels des Steckers in die Buchse des inneren Gehäuses elektrisch und mechanisch verbinden. Dadurch sind die als Sensor wirkenden Bauteile leicht auswechselbar und können baulich getrennt von der Anschlusselektrode (= fixer Teil der Messapparatur) in einfacher Weise einer notwendigen Wartung (z.B. Reinigung oder Nachfüllen leitfähiger Flüssigkeit) unterzogen werden.
Bei einer bevorzugten Integration mehrerer Messeinheiten auf einem Trägersystem umfasst eine vorzugsweise mittig angeordnete Baugruppe z.B. zwei Membranpumpen, die für deren Stromversorgung notwendigen Akkus, zwei Druckschalter, LED's zur Betriebsanzeige, einen Druckregler und eine Warnblinkleuchte. An der Unterseite der Baugruppe befindet sich eine Saugplatte mit einer Dichtung mit möglichst geringer Shore Härte, die eine zuverlässige Abdichtung auch auf rauhen Oberflächen sicherstellt. Über die Saugplatte kann das Trägersystem mittels Unterdruck an der zu messenden Oberfläche fixiert werden.
Ein derartiges Trägersystem kann beispielsweise aus drei in gleichmäßigen Abständen zueinander angeordneten Rohren und entsprechenden Verbindungselementen bestehen. Die Messeinheiten mit den Elektroden werden vorzugsweise durch Klemmung auf den Rohren befestigt, so dass sich diese problemlos an unterschiedlichen Arbeitspositionen mit unterschiedlichen Abständen einstellen und bezüglich ihrer Anzahl variieren lassen. Somit kann diese technische Lösung mit geringem Zeit- und Kostenaufwand für eine Vielzahl unterschiedlicher Nutzungen modifiziert werden.
Bei Nutzung für die Erkundung in Tunnelbauwerken kann das Trägersystem auch so konstruiert werden, dass sich die Elektroden kreisförmig radial zur Tunnelachse oder auf einem entsprechenden Kreissegment anordnen lassen. Außerdem ist es möglich, die Messeinheiten unter Verwendung externer Pumpen und elektrischer Anschlüsse separat als autarke Sensoren einzusetzen.
Weitere Ausgestaltungen werden in Unteransprüchen beschrieben, deren technische Merkmale in einem Ausführungsbeispiel erläutert werden.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

1 den grundsätzlichen Aufbau der Vorrichtung in Explosionsdarstellung
2 die Vorrichtung gemäß 1 im montierten Zustand in Schnittdarstellung
3 eine Anordnung von erfindungsgemäßen Vorrichtungen in einer Tunnelröhre im Querschnitt der Tunnelröhre
4 die Anordnung gemäß 3 im Längsschnitt der Tunnelröhre
5 eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem Trägersystem zur Aufnahme mehrerer Messeinheiten
6 eine Anordnung von erfindungsgemäßen Vorrichtungen an einem Trägersystem in einer Tunnelröhre im Querschnitt der Tunnelröhre
7 die Anordnung gemäß 6 im Längsschnitt der Tunnelröhre

Die in der Zeichnung dargestellte Vorrichtung ist primär für geoelektrische Messungen an versiegelten Oberflächen konzipiert. Das vorliegende Ausführungsbeispiel betrifft eine diesbezügliche Anwendung zur Untersuchung von Tunnelröhren. Die Vorrichtung ist jedoch ebenso für Untersuchungen an zahlreichen anderen Untersuchungsobjekten geeignet. Unabhängig von ihrer konkreten Anwendung umfasst die Vorrichtung mindestens eine Messeinheit mit einer Elektrode für eine zerstörungsfreie Untersuchung des Materialzustandes jenseits von frei zugänglichen Oberflächenabschnitten am jeweiligen Untersuchungsobjekt.
Aus 1 und 2 ist ersichtlich, dass die Messeinheit 1 eine im Wesentlichen zylinderförmige Außenkontur aufweist, die aus mehreren Komponenten gebildet wird. Dies sind bezogen auf die Längsrichtung der Messeinheit 1 und ausgehend von der in Funktionslage oberen Stirnseite ein äußeres glockenförmiges Gehäuse 2, ein erstes inneres glockenförmiges Gehäuse 3 und ein zweites inneres glockenförmiges Gehäuse 4.
Am äußeren Gehäuse 2 sind ein Schlauchanschlussnippel 5 und eine Durchführung 6 für den Elektrodenanschluss ausgestaltet. Weiterhin ist am äußeren Gehäuse 2 eine untere kreisringförmige Stegkontur ausgestaltet, die von einem Endabschnitt einer ersten Balgdichtung 7 umgriffen ist. Der andere Endabschnitt dieser Balgdichtung 7 liegt an der Außenfläche des ersten inneren Gehäuses 3 an.
In der oberen Stirnfläche des ersten inneren Gehäuses 3 ist eine Buchse 8 lagefixiert angeordnet. Diese Buchse 8 erstreckt sich durch eine an der oberen Stirnfläche des zweiten inneren Gehäuses 4 ausgestaltete Öffnung bis in den Innenraum des Gehäuses 4. In diesem Innenraum ist eine Kontaktscheibe 9 mit einem Stecker 10 angeordnet. Unterhalb dieser Kontaktscheibe 9 ist ein Flüssigkeitsspeicher 11 für Elektrolyt angeordnet. Weiterhin ist es möglich, oberhalb der Kontaktscheibe 9 eine Distanzhülse und unterhalb eine Gewindehülse anzuordnen, wobei diese Bauteile in der Zeichnung nicht näher benannt sind.
An der in Funktionslage unteren Stirnseite der Messeinheit 1 ist eine Membran 12 angeordnet. Die umlaufende Stirnseite dieser Membran 12 ist von einem Endabschnitt einer zweiten Balgdichtung 13 umgriffen. Der andere Endabschnitt dieser Balgdichtung 13 liegt an der Außenfläche des zweiten inneren Gehäuses 4 an.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann in verschiedenartigen Konfigurationen ausgeführt werden. Hierzu sind aus 3 und 4 jeweils Anordnungen ersichtlich, bei denen die Messeinheiten 1 jeweils einzeln auf einem Trägersystem an verschiedenen Punkten einer Tunnelröhre 15 fixiert sind. Dabei zeigt 3 den Querschnitt der Tunnelröhre 15 und 4 deren Längsschnitt.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung ergibt sich, sofern mehrere Messeinheiten 1 auf einem Trägersystem zusammengeführt werden, so dass ein großflächiger Abschnitt z.B. an einem Ingenieurbauwerk untersucht werden kann. Dies ist insbesondere unter zeitlichen und finanziellen Aspekten relevant.
Hierfür ist beispielsweise ein Gestell 14 gemäß 5 geeignet, das aus drei in gleichmäßigen Abständen zueinander angeordneten Rohren 16 und Verbindungselementen besteht und an dem mehrere Messeinheiten 1 befestigt sind. Vorzugsweise werden die Messeinheiten 1 mittels einer Klemmbefestigung 17 am Gestell 14 befestigt.
Dabei ergibt sich eine weitere vorteilhafte Ausführung, indem am Gestell 14 eine mittig angeordnete Baugruppe 18 mit der notwenigen Betriebstechnik vorgesehen ist. Dies sind beispielsweise zwei Membranpumpen, die für deren Stromversorgung notwendigen Akkus sowie zwei Druckschalter, mehrere LED's zur Betriebsanzeige, ein Druckregler und eine Warnblinkleuchte. Weiterhin ist an der Unterseite der Baugruppe 18 eine Saugplatte 19 mit einer Dichtung mit einer vorzugsweise geringen Shore Härte angeordnet.
Aus 6 und 7 sind Anordnungen ersichtlich, bei denen mehrere Messeinheiten 1 an einem Gestell 14 angeordnet sind, das als gemeinsame Baugruppe an der Wand einer Tunnelröhre 15 befestigt ist. Demzufolge sind auch bei dieser Variante die einzelnen Messeinheiten an verschiedenen Punkten der Tunnelröhre 15 fixiert. Dabei zeigt 6 den Querschnitt der Tunnelröhre 15 und 7 deren Längsschnitt.
Beim Messvorgang wird das mit den Messeinheiten 1 bestückte Gestell 14 an die entsprechende Stelle positioniert und die als Vakuumpumpe ausgeführte Membranpumpe aktiviert. Durch Evakuierung des zwischen Saugplatte 19, Betonoberfläche und Dichtung begrenzten Volumens wird ein Vakuum erzeugt, welches die notwendige Haltekraft für das Gestell auch für eine Überkopfhandhabung oder ähnlich anspruchsvolle Lagefixierungen bewirkt.
Das Erreichen des notwendigen Unterdrucks und damit der erforderlichen Haltekraft wird beispielsweise mittels einer LED signalisiert. Anschließend wird die zweite Membranpumpe zugeschaltet, bei welcher die Druckseite zur Anwendung kommt. Mit der hier erzeugten Druckluft werden die Elektroden beaufschlagt. Durch den sich zwischen äußerem Gehäuse, großem Balg und innerem Gehäuse aufbauenden Überdruck wird das innere Gehäuse mit dem Sensor nach vorn bewegt, so dass es sich mit definierter Kraft an die Betonoberfläche anlegt. Da in allen Elektroden der gleiche Druck anliegt, ist die Anpresskraft unabhängig vom Weg, den der Sensor bis zur Betonoberfläche zurückgelegt hat, immer gleich. Mit einem Druckregler lassen sich der Druck und damit die Anpresskraft in einem definierten Bereich regeln.
Nach dem Aufsetzen der Sensoren (Elektroden) wird die Bauwerksoberfläche jeweils über die flüssigkeitsdurchlässige Membran mit der im Flüssigkeitsspeicher befindlichen leitfähigen Flüssigkeit benetzt und über Kontaktscheibe, Stecker, Buchse und Anschlusskabel mit dem Messgerät kontaktiert.
Die tatsächliche Datenerfassung erfolgt mit einer handelsüblichen Multielektroden-Apparatur, mit der die Messdaten digitalisiert, bearbeitet und bereits während der Messung einer permanenten Qualitätskontrolle unterzogen werden können. Nach Abschluss der Messdatenerfassung und -sicherung erfolgt die Auswertung der Daten, i. d. Regel mittels Inversionsverfahren, mit dem Ziel, ein Modell der Verteilung des elektrischen Widerstands des Untersuchungsbereichs zu erstellen und damit, je nach Problemstellung, Informationen über verschiedene weitere Untergrundeigenschaften zu erhalten.
Bezugszeichenliste

1: Messeinheit
2: äußeres Gehäuse
3: erstes inneres Gehäuse
4: zweites inneres Gehäuse
5: Schlauchanschlussnippel
6: Durchführung Elektrodenanschluss
7: erste Balgdichtung
8: Buchse
9: Kontaktscheibe
10: Stecker
11: Flüssigkeitsspeicher Elektrolyt
12: Membran
13: zweite Balgdichtung
14: Gestell
15: Tunnelröhre
16: Rohr
17: Klemmbefestigung
18: Baugruppe mit Betriebstechnik
19: Saugplatte

Claims

Vorrichtung für geoelektrische Messungen an versiegelten Oberflächen, wobei die Vorrichtung mindestens eine Messeinheit mit einer Elektrode für eine zerstörungsfreie Untersuchung des Materialzustandes jenseits von frei zugänglichen Oberflächenabschnitten aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinheit (1) eine im Wesentlichen zylinderförmige Außenkontur und bezogen auf ihre Längsrichtung sowie ausgehend von der in Funktionslage oberen Stirnseite ein äußeres glockenförmiges Gehäuse (2), ein erstes inneres glockenförmiges Gehäuse (3) sowie ein zweites inneres glockenförmiges Gehäuse (4) aufweist, wobei am äußeren Gehäuse (2) eine untere kreisringförmige Stegkontur ausgestaltet ist, die von einem Endabschnitt einer ersten Balgdichtung (7) umgriffen ist, die mit ihrem anderen Endabschnitt an der Außenfläche des ersten inneren Gehäuses (3) anliegt, wobei in der oberen Stirnfläche des ersten inneren Gehäuses (3) eine Buchse (8) lagefixiert angeordnet ist, die sich durch eine an der oberen Stirnfläche des zweiten inneren Gehäuses (4) ausgestaltete Öffnung bis in den Innenraum des zweiten inneren Gehäuses (4) erstreckt, wobei in diesem Innenraum eine Kontaktscheibe (9) mit einem Stecker (10) angeordnet ist, wobei unterhalb der Kontaktscheibe (9) ein Flüssigkeitsspeicher (11) für Elektrolyt angeordnet ist, wobei an der in Funktionslage unteren Stirnseite der Messeinheit (1) eine Membran (12) angeordnet ist und wobei die umlaufende Stirnseite der Membran (12) von einem Endabschnitt einer zweiten Balgdichtung (13) umgriffen ist, die mit ihrem anderen Endabschnitt an der Außenfläche des zweiten inneren Gehäuses (4) anliegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das äußere Gehäuse (2) mit einem Schlauchanschlussnippel (5) und einer Durchführung (6) für den Elektrodenanschluss ausgestaltet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bezogen auf die in Funktionslage obere Stirnseite der Messeinheit (1) oberhalb der Kontaktscheibe (9) eine Distanzhülse und unterhalb der Kontaktscheibe (9) eine Gewindehülse angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein Gestell (14) aufweist, das aus drei in gleichmäßigen Abständen zueinander angeordneten Rohren (16) und entsprechenden Verbindungselementen besteht, an dem mehrere Messeinheiten (1) befestigt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinheiten (1) mittels einer Klemmbefestigung (17) am Gestell (14) befestigt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine am Gestell (14) mittig angeordnete Baugruppe (18) zwei Membranpumpen, die für deren Stromversorgung notwendigen Akkus sowie zwei Druckschalter, mehrere LED's zur Betriebsanzeige sowie einen Druckregler und eine Warnblinkleuchte aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass an der Unterseite der Baugruppe (18) eine Saugplatte (19) mit einer Dichtung angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung eine geringe Shore Härte aufweist.