DE102018132208A1

DE102018132208A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Erfassen des Verdichtungsgrads einer Asphaltschicht

Info

Publication number: DE102018132208A1
Application number: DE102018132208.9A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Wallrath
Original assignee: Vibrowave Datenverarbeitung und Messsysteme GmbH
Current assignee: Vibrowave Datenverarbeitung und Messsysteme GmbH
Priority date: 2018-12-14
Filing date: 2018-12-14
Publication date: 2020-06-18

Abstract

Aus dem Stand der Technik ist es daher bekannt, die Verdichtung einer gefertigten und verdichteten Asphaltschicht Isotopen- oder Troxler-Sonde sowie Beschleunigungssensoren zu messen. Demgegenüber ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Erfassen des Verdichtungsgrads auch einer noch heißen Asphaltschicht bereitzustellen. Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Vorrichtung zum Erfassen des Verdichtungsgrads einer Asphaltschicht vorgeschlagen mit einem Ultraschallsender, der so eingerichtet und angeordnet ist, dass mit dem Ultraschallsender ein Ultraschallimpuls mit einer Mittenfrequenz erzeugbar und durch eine Oberfläche der Asphaltschicht in die Asphaltschicht einkoppelbar ist, einem Ultraschallempfänger, der so eingerichtet und angeordnet ist, dass mit dem Ultraschallempfänger der Ultraschallimpuls, der die Asphaltschicht durchlaufen hat, durch eine Oberfläche der Asphaltschicht aus der Asphaltschicht auskoppelbar und erfassbar ist, einem berührungslos messenden Thermometer, das derart eingerichtet und angeordnet ist, dass mit dem Thermometer die Temperatur der Asphaltschicht messbar ist, und einer wirksam mit dem Ultraschallsender, dem Ultraschallempfänger und dem Thermometer verbundenen Auswerteeinrichtung, die derart eingerichtet ist, dass mit der Auswerteeinrichtung anhand einer Laufzeit des Ultraschallimpulses von dem Ultraschallsender durch die Asphaltschicht zu dem Ultraschallempfänger und/oder der Dämpfung der Amplitude des Ultraschallimpulses durch die Asphaltschicht und der Temperatur der Asphaltschicht der Verdichtungsgrad der Asphaltschicht bestimmbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Erfassen des Verdichtungsgrads einer Asphaltschicht.
Im Straßen- und Wegebau mit Asphalt kommt der Bestimmung des Verdichtungsgrads eine große Bedeutung zu. Ist die Verdichtung zu gering, so kann der Asphalt keine hohen Lasten aufnehmen und schon geringe Belastungen in Form von Straßenverkehr vermögen den Asphalt zu verformen. Ist hingegen die Verdichtung zu hoch, so besitzt der Asphalt nicht die notwendige Möglichkeit zum Ausdehnen und Zusammenziehen bei Temperaturschwankungen. Es kommt sowohl bei der Erwärmung als auch beim Abkühlen dann zu Beschädigungen des Asphalts.
Aus dem Stand der Technik ist es daher bekannt, die Verdichtung einer gefertigten und verdichteten Asphaltschicht zu messen. Dazu stehen verschiedene Verfahren und Vorrichtungen zur Verfügung. Mithilfe einer Isotopen- oder Troxler-Sonde wird die von einem Gamma- oder Neutronenstrahler ausgesendete Strahlung, welche durch das Material der Asphaltschicht absorbiert und gestreut wird, gemessen und aus der Abschwächung auf die Dichte des Materials geschlossen. Als nachteilig erweist sich insbesondere die Notwendigkeit, ein radioaktiv strahlendes Material für die Messung einsetzen zu müssen. Ferner werden Beschleunigungssensoren, welche in der Asphaltwalze eingebaut sind, dazu benutzt, über Signaländerungen ein Maß für die mit der jeweiligen Walze bewirkte Verdichtung zu erhalten. Solche Messungen ermöglichen aber nur einen relativen Vergleich zwischen den einzelnen Messpunkten und keine Aussage über den absoluten Verdichtungsgrad an den jeweiligen Messpunkten. Darüber hinaus ist es im Grundsatz aus dem Stand der Technik bekannt, die Beschädigungen von Betonschichten mithilfe eines Ultraschall-Impuls-Echo-Verfahrens zu erfassen. Allerdings ermöglichen es die bisher bekannten Verfahren und Vorrichtungen nicht, den Verdichtungsgrad von Asphalt im heißen, d. h. noch verdichtbaren Zustand, zu erfassen.
Demgegenüber ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erfassen des Verdichtungsgrads auch einer noch heißen Asphaltschicht bereitzustellen.
Zumindest eine der zuvor genannten Aufgaben wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zum Erfassen des Verdichtungsgrads einer Asphaltschicht mit einem Ultraschallsender, der so eingerichtet und angeordnet ist, dass mit dem Ultraschallsender ein Ultraschallimpuls mit einer Mittenfrequenz erzeugbar und durch eine Oberfläche der Asphaltschicht in die Asphaltschicht einkoppelbar ist, einem Ultraschallempfänger, der so eingerichtet und angeordnet ist, dass mit dem Ultraschallempfänger der Ultraschallimpuls, der die Asphaltschicht durchlaufen hat, durch eine Oberfläche der Asphaltschicht aus der Asphaltschicht auskoppelbar und erfassbar ist, einem berührungslos messenden Thermometer, das derart eingerichtet und angeordnet ist, dass mit dem Thermometer die Temperatur der Asphaltschicht messbar ist, und einer wirksam mit dem Ultraschallsender, dem Ultraschallempfänger und dem Thermometer verbundenen Auswerteeinrichtung, die derart eingerichtet ist, dass mit der Auswerteeinrichtung anhand einer Laufzeit des Ultraschallimpulses von dem Ultraschallsender durch die Asphaltschicht zu dem Ultraschallempfänger und/oder der Dämpfung der Amplitude des Ultraschallimpulses durch die Asphaltschicht und der Temperatur der Asphaltschicht der Verdichtungsgrad der Asphaltschicht bestimmbar ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass mit ihr die Bestimmung des Verdichtungsgrads der Asphaltschicht über einen weiten Temperaturbereich hinweg möglich ist. In einer Ausführungsform ist die Vorrichtung derart ausgestaltet, dass mit ihr eine Asphaltschicht mit einer Temperatur über den gesamten Bereich von 0 °C bis mehr als 100 °C, vorzugsweise von 0 °C bis 150 °C messbar ist. Insbesondere ermöglicht es eine Ausführungsform der Vorrichtung den Verdichtungsgrad auch der heißen Asphaltschicht zu bestimmen.
Dabei sind der Ultraschallsender und der Ultraschallempfänger in einer Ausführungsform derart ausgestaltet und angeordnet, dass sie den Ultraschallimpuls über ein und dieselbe Oberfläche der Asphaltschicht in diese ein- bzw. aus dieser auskoppeln. Man könnte die gewählte Anordnung als „Reflexionsanordnung“ bezeichnen. Diese Anordnung ermöglicht die Messung an der Asphaltschicht im verbauten Zustand, in welchem im Allgemeinen nur eine Oberfläche der Asphaltschicht zugänglich ist, während die andere Oberfläche mit einer weiteren Schicht in Eingriff ist. Insbesondere sind die Flächennormalen der Oberflächenabschnitte der Oberfläche der Asphaltschicht, mit denen der Ultraschallsender (genauer der Ultraschallkoppler des Ultraschallsenders) und der Ultraschallempfänger (genauer der Ultraschallkoppler des Ultraschallempfängers) in Kontakt sind, zueinander parallel und zeigen in die gleiche Richtung.
Allerdings ist es für die vorliegende Erfindung nicht notwendig, dass der Ultraschallimpuls an einer Grenzfläche der Asphaltschicht reflektiert wird. Vielmehr ist es ausreichend, wenn der Ultraschallimpuls durch die Asphaltschicht hindurchläuft, d. h. durch diese transmittiert wird. Hierfür ist beispielsweise eine durch die Oberfläche der Asphaltschicht geführte Mode, die jedoch nicht von einer weiteren Grenzfläche der Asphaltschicht reflektiert wird, ausreichend.
Unter einer heißen Asphaltschicht wird im Sinne der vorliegenden Anmeldung eine Asphaltschicht verstanden, die noch eine Temperatur aufweist, bei der die Asphaltschicht, falls notwendig, verdichtet bzw. nachverdichtet werden kann. In einer Ausführungsform der Erfindung hat die Asphaltschicht eine Temperatur von 100 °C oder mehr.
Es hat sich gezeigt, dass es Ultraschallimpulse mit einer Mittenfrequenz von 50 kHz oder mehr nur schlecht ermöglichen, den Verdichtungsgrad einer Asphaltschicht im heißen Zustand zu erfassen. Daher ist in einer Ausführungsform der Erfindung der Ultraschallsender so eingerichtet und angeordnet, dass mit dem Ultraschallsender ein Ultraschallimpuls mit einer Mittenfrequenz von weniger als 50 kHz, vorzugsweise von 40 kHz oder weniger, bevorzugt von 30 kHz oder weniger und besonders bevorzugt von 25 kHz erzeugbar und in die Asphaltschicht einkoppelbar ist. Es versteht sich, dass in einer solchen Ausführungsform der Ultraschallempfänger jeweils derart eingerichtet und angeordnet ist, dass mit dem Ultraschallempfänger der Ultraschallimpuls mit der jeweiligen Mittenfrequenz aus der Asphaltschicht auskoppelbar und erfassbar ist. Diese Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeichnet sich durch die deutlich geringere Mittenfrequenz des Ultraschallimpulses sowie das Thermometer zum Erfassen der Temperatur der Asphaltschicht aus. Beide Merkmale dienen dazu, die Vorrichtung zum Erfassen des Verdichtungsgrads auch einer heißen Asphaltschicht geeignet zu machen.
In einer Ausführungsform der Erfindung beträgt die Mittenfrequenz des Ultraschallimpulses 16kHz oder mehr.
Der Ultraschallsender, der Ultraschallempfänger und das Thermometer sind mit einer Auswerteeinrichtung verbunden, welche dazu dient, aus den Messsignalen des Ultraschallempfängers und des Thermometers den Verdichtungsgrad der Asphaltschicht zu bestimmen. Dabei beruht die Bestimmung des Verdichtungsgrads wahlweise auf einer Laufzeitmessung des Ultraschallimpulses von dem Ultraschallsender durch die Asphaltschicht zu dem Ultraschallempfänger oder auf einer Amplitudenmessung des Ultraschallimpulses, welcher die Asphaltschicht durchlaufen hat. Ferner ist es möglich, aus der Laufzeitmessung und der Amplitudenmessung zusammen den Verdichtungsgrad zu bestimmen. Letzteres führt gegenüber der Berücksichtigung nur der Laufzeitmessung oder nur der Amplitudenmessung zu verbesserten Ergebnissen.
Bei der Amplitudenmessung wird die Dämpfung der Amplitude des Ultraschallimpulses durch die Asphaltschicht betrachtet, welche insbesondere vom Verdichtungsgrad der Asphaltschicht und deren Temperatur abhängt.
Um aus der Laufzeit und/oder der Dämpfung der Amplitude des Ultraschallimpulses, welcher die Asphaltschicht durchlaufen hat, den Verdichtungsgrad bestimmen zu können, ist es günstig, die ungefähre Weglänge des Ultraschallimpulses durch die Asphaltschicht zu kennen.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Vorrichtung eine Benutzerschnittstelle auf, mit der die Dicke der zu messenden Asphaltschicht in die Vorrichtung eingebbar ist, wobei zur Bestimmung des Verdichtungsgrads aus der Dicke der Asphaltschicht die Weglänge des Ultraschallimpulses durch die Asphaltschicht berechnet wird. In einer solchen Ausführungsform wird davon ausgegangen, dass der Ultraschallimpuls an einer der Oberfläche, durch welche der Ultraschallimpuls in die Asphaltschicht ein- und ausgekoppelt wird, gegenüberliegenden Grenzfläche der Asphaltschicht reflektiert wird.
Es hat sich allerdings gezeigt, dass es vorteilhafter ist, wenn der Ultraschallimpuls derart in die Asphaltschicht eingekoppelt wird, dass eine seiner Moden durch die Asphaltschicht geführt wird, ohne, dass der Ultraschallimpuls an einer Grenzfläche der Asphaltschicht reflektiert wird. In diesem Fall ist die Weglänge des Ultraschallimpulses aus dem Abstand zwischen dem Ultraschallsender und dem Ultraschallempfänger bekannt und kann unmittelbar zur Bestimmung der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Ultraschallimpulses aus der Laufzeit herangezogen werden. Die Berechnung ist in diesem Fall unabhängig von der Dicke der Asphaltschicht.
Darüber hinaus hängt die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Ultraschallimpulses vom Asphalttyp, d. h. insbesondere vom Verhältnis zwischen Binder und Gestein ab. Daher muss für die Bestimmung des Verdichtungsgrad der Asphaltschicht der Typ des verwendeten Asphalts bekannt sein. In einer Ausführungsform der Erfindung weist daher die Vorrichtung eine Benutzerschnittstelle zum Eingeben des Asphalttyps auf.
Sind der Asphalttyp sowie die Weglänge des Ultraschallimpulses durch die Asphaltschicht bekannt, so hängt die Laufzeit und/oder die Dämpfung der Amplitude des Ultraschallimpulses durch die Asphaltschicht noch von der Temperatur der Asphaltschicht sowie vom Verdichtungsgrad ab.
Erfindungsgemäß wird die Temperatur der Asphaltschicht mithilfe eines berührungslos messenden Thermometers zusätzlich zu der Laufzeit und/oder der Dämpfung der Amplitude bestimmt. Liegt dann eine Korrelation zwischen der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Ultraschallimpulses mit der gegebenen Mittenfrequenz und dem Verdichtungsgrad der Asphaltschicht bei der gemessenen Temperatur vor, so kann der Verdichtungsgrad unmittelbar von der Vorrichtung ausgegeben werden.
Daher weist in einer Ausführungsform der Vorrichtung die Auswerteeinrichtung einen Speicher auf, indem für mindestens einen Asphalttyp eine Korrelation zwischen der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Ultraschallimpulses mit der Mittenfrequenz und dem Verdichtungsgrad der Asphaltschicht für eine Mehrzahl von Temperaturen gespeichert ist. Optional kann die Korrelation für jeden Asphalttyp eine Mehrzahl von Dicken der Asphaltschicht berücksichtigen. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn von einer Reflexion des Ultraschallimpulses in der Asphaltschicht auszugehen ist.
Es versteht sich, dass zweckmäßigerweise jeweils mindestens eine solche Korrelation, vorzugsweise aber eine Mehrzahl solcher Korrelationen, für eine Mehrzahl von Asphalttypen in dem Speicher gespeichert ist. Gegebenenfalls ist jeweils eine solche Korrelation für eine Mehrzahl von Asphalttypen und für eine Mehrzahl von Dicken der Asphaltschicht für jeden der Asphalttypen in dem Speicher gespeichert. Es versteht sich, dass die Speicherung dieser Korrelationen in Form der Hinterlegung von Funktionen oder aber von Wertetabellen erfolgen kann.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Vorrichtung eine wirksam mit der Auswerteeinrichtung verbundene Datenschnittstelle für eine Dateneingabe und/oder einen Datenexport auf. In einer Ausführungsform ist die Datenschnittstelle drahtlos. Eine solche Schnittstelle kann beispielsweise eine Bluetooth-, eine WLAN- oder eine GSM/LTE-Schnittstelle sein. Es versteht sich, dass in einer Ausführungsform der Erfindung die Datenschnittstelle eine bidirektionale Schnittstelle ist. Auf diese Weise lassen sich nicht nur Werte aus der Vorrichtung auslesen, sondern auch Werte in die Vorrichtung eingeben, sodass beispielsweise ein herkömmliches Mobiltelefon als Benutzerschnittstelle für die Vorrichtung dienen kann. Beispielsweise kann auf diese Weise der Typ der Asphaltschicht und/oder die Dicke der Asphaltschicht in die Vorrichtung eingegeben werden.
Für das Ausgeben von Daten über die Datenschnittstelle beispielsweise an ein Datennetz oder an einen Rechner stehen verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung. So können zum einen die Rohdaten, d. h. die Laufzeit und/oder die Dämpfung der Amplitude und die Temperatur unmittelbar über die Datenschnittstelle an einen externen Server übertragen werden, welcher die Rechenleistung für die Bestimmung des Verdichtungsgrads, übernimmt. Alternativ kann über die Datenschnittstelle auch der von der Vorrichtung bestimmte Verdichtungsgrad an ein Datennetz oder einen Rechner übertragen werden. In einer Ausführungsform wird auch der geographische Ort, an dem der Verdichtungsgrad gemessen wurde, über die Datenschnittstelle beispielsweise an ein Datennetzwerk oder einen Rechner übertragen.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Vorrichtung einen wirksam mit der Auswerteeinrichtung verbundenen Empfänger für ein Satellitennavigationssystem, wie z.B. GPS, GLONASS oder Galileo auf. Dabei ist die Auswerteeinrichtung in einer Ausführungsform derart eingerichtet, dass sie zu einem anhand der Laufzeit und/oder der Dämpfung der Amplitude des Ultraschallimpulses durch die Asphaltschicht zusammen mit der Temperatur der Asphaltschicht bestimmten Verdichtungsgrad den geographischen Ort speichert, an der die Erfassung erfolgt ist. Auf diese Weise lässt sich eine Verdichtungskarte der gefertigten Asphaltfläche erstellen. Es lassen sich Flächen identifizieren, die nachverdichtet werden müssen, um die an die Asphaltschicht gestellten Spezifikationen an allen Orten zu erfüllen. Zum anderen ermöglicht es die Kombination aus der Erfassung des geographischen Orts der Messung und der Erfassung des Verdichtungsgrads an diesem Ort auch, diese Daten für die Nachweisdokumentation zur Verfügung zu stellen.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist der Ultraschallsender eine Ultraschallquelle, die so eingerichtet ist, dass mit der Ultraschallquelle ein Ultraschallimpuls mit der Mittenfrequenz erzeugbar ist, und einen mit der Ultraschallquelle verbundenen Ultraschallkoppler, der so eingerichtet und angeordnet ist, dass über den Ultraschallkoppler der Ultraschallimpulses durch die Oberfläche der Asphaltschicht in die Asphaltschicht einkoppelbar ist, auf. Zudem weist in einer Ausführungsform der Erfindung der Ultraschallempfänger einen Ultraschalldetektor auf, der so eingerichtet ist, dass mit dem Ultraschalldetektor ein Ultraschallimpuls, der die Asphaltschicht durchlaufen hat, erfassbar ist, und einen mit dem Ultraschalldetektor verbundenen Ultraschallkoppler auf, der so eingerichtet und angeordnet ist, dass mit dem Ultraschallkoppler der Ultraschallimpuls durch die Oberfläche der Asphaltschicht aus der Asphaltschicht auskoppelbar und in den Ultraschallempfänger einkoppelbar ist. Die Oberflächennormalen der mit der Oberfläche der Asphaltschicht in Eingriff zu bringenden Flächen der Ultraschallkoppler des Ultraschallsenders und des Ultraschallempfängers zeigen in einer Ausführungsform in die gleiche Richtung und sind parallel zueinander.
Der Ausgestaltung des Ultraschallsenders und des Ultraschallempfängers kommt erfindungsgemäß eine besondere Bedeutung zu, da es u.a. gilt, die Laufzeit und/oder die Dämpfung der Amplitude des Ultraschallimpulses in der Asphaltschicht bei vergleichsweise hohen Temperaturen zu bestimmen. Bei diesen Temperaturen kommt es häufig nicht mehr zur Ausbildung einer eindeutigen Grenzfläche der Asphaltschicht zu einer darunter liegenden Schicht. Daher sind in einer Ausführungsform der Erfindung der Ultraschallkoppler des Ultraschallsenders und der Ultraschallkoppler des Ultraschallempfängers so ausgestaltet und angeordnet, dass der Ultraschallimpuls unter einem von 0° verschiedenen Winkel zur Flächennormalen der Asphaltschicht in die Asphaltschicht einkoppelbar und aus dieser auskoppelbar ist. Die Ausbreitung der Moden des Ultraschallimpulses in der Asphaltschicht setzt bei einer von 0° zur Flächennormalen verschiedenen Ein- bzw. Auskopplung des Ultraschallimpulses keine Reflexion des Impulses an einer Grenzfläche voraus. Zudem ist aufgrund der längeren Wechselwirkungslänge bei nicht senkrechter Einkopplung in die Asphaltschicht die Messung sensitiver und eine sichere Zuordnung zwischen Laufzeit und Verdichtungsgrad ist möglich.
Es versteht sich, dass in einer Ausführungsform, bei welcher der Ultraschallimpuls nicht parallel zur Flächennormalen der Oberfläche der Asphaltschicht in die Asphaltschicht angekoppelt wird, die Weglänge, welche der Ultraschallimpuls in der Asphaltschicht zurückgelegt, aus dem Abstand zwischen Ultraschallsender und Ultraschallempfänger und ggf. dem Einkopplungs- bzw. Auskopplungswinkel berechnet werden muss.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Abstand zwischen einer mit der Asphaltschicht in Eingriff zu bringenden Anregungsfläche des Ultraschallkopplers des Ultraschallsenders und einer mit der Asphaltschicht in Eingriff zu bringenden Anregungsfläche des Ultraschallkopplers des Ultraschallempfängers einstellbar veränderbar. Auf diese Weise ist die Messanordnung auf verschiedene Asphaltdicken anpass- bzw. einstellbar. Es versteht sich, dass in einer solchen Anordnung der während der Messung vorliegende, d.h. eingestellte Abstand zwischen Ultraschallsender und Ultraschallempfänger bei der Bestimmung der Verdichtungsgrads zu berücksichtigen ist. Dazu wird in einer Ausführungsform der Abstand zwischen Ultraschallsender und Ultraschallempfänger automatisiert erfasst.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist eine mit der Asphaltschicht in Eingriff zu bringende Anregungsfläche des Ultraschallkopplers eine Fläche von mindestens 2 cm × 2 cm, vorzugsweise von mindestens 4 cm × 4 cm, auf.
Derart vergleichsweise große Anregungsflächen ermöglichen die effektive Ein- und Auskopplung des Ultraschallimpulses in die Asphaltschicht auch bei einer Ankopplung, die nicht parallel zur Flächennormale der Asphaltschicht erfolgt und auch wenn dann der jeweilige Ultraschallkoppler nur an eine einzige Ultraschallquelle bzw. einen einzigen Ultraschalldetektor angekoppelt ist.
Es versteht sich, dass insbesondere in einer Ausführungsform der Erfindung mit einer zur Oberflächennormale der Asphaltschicht parallelen Ankopplung der Ultraschallsender und der Ultraschallempfänger durch das gleiche Bauelement realisiert sein können, welches dann sequenziell als Sender und als Empfänger betrieben wird.
In der Ausführungsform der Erfindung weisen die Ultraschallquelle und/oder der Ultraschalldetektor eine Temperaturbeständigkeit von bis zu 200 °C auf. Während der Messung werden sowohl die Ultraschallquelle als auch der Ultraschalldetektor in unmittelbarer Nähe zur heißen Asphaltschicht gebracht und über die Koppler auch thermisch direkt an die heiße Schicht angekoppelt.
Daher ist bei der Auswahl der Materialien sowohl für die Ultraschallquelle als auch für den Ultraschalldetektor auf eine entsprechende Temperaturbeständigkeit zu achten.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist das berührungslos messende Thermometer ein Pyrometer, vorzugsweise ein Infrarotpyrometer.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Thermometer derart ausgestaltet, dass mit dem Thermometer eine Fläche der Asphaltschicht von 5 cm x 5 cm oder mehr und vorzugsweise von 10 cm x 10 cm oder mehr erfassbar ist. Auf diese Weise kann effektiv die mittlere Temperatur der Asphaltschicht gemessen werden, wobei aufgrund der hinreichend großen Messfläche lokale Temperaturunterscheide, beispielweise aufgrund von auf der Oberfläche der Asphaltschicht stehenden Wassertropfen herausgemittelt werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Vorrichtung ein tragbares Handgerät. Ein solches zeichnet sich zum einen durch ein geringes Gewicht, zum anderen aber auch durch noch tragbare Abmessungen aus. In einer Ausführungsform der Erfindung hat das Handgerät daher ein Gewicht von 15 kg oder weniger, vorzugsweise von 10 kg oder weniger.
In einer alternativen Ausführungsform ist die Vorrichtung als Anbausatz für eine Verdichtungswalze (umgangssprachlich Straßenwalze) ausgestaltet, sodass die Messung unmittelbar beim Verdichten mit der Walze erfolgen kann.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Vorrichtung Teil einer Verdichtungswalze (umgangssprachlich Straßenwalze), sodass die Messung unmittelbar beim Verdichten mit der Walze erfolgen kann.
In einer Ausführungsform ist die Verdichtungswalze zudem derart ausgestaltet, dass sie, vorzugsweise an einem Führerstand, eine Anzeigeeinrichtung aufweist, welche mit der Auswerteeinrichtung der Vorrichtung zum Erfassen des Verdichtungsgrads verbunden ist, so dass in einem Betrieb der Verdichtungswalze der Verdichtungsgrad auf der Anzeigeeinrichtung angezeigt wird.
Zumindest eine der oben genannten Aufgaben wird auch durch ein Verfahren zum Erfassen des Verdichtungsgrads einer Asphaltschicht gelöst mit den Schritten: Erzeugen eines Ultraschallimpulses mit einer Mittenfrequenz, Einkoppeln des Ultraschallimpulses durch eine Oberfläche der Asphaltschicht in die Asphaltschicht, Auskoppeln des Ultraschallimpulses, der die Asphaltschicht durchlaufen hat, durch dieselbe Oberfläche der Asphaltschicht aus der Asphaltschicht, Erfassen des aus Asphaltschicht ausgekoppelten Ultraschallimpulses, berührungsloses Erfassen einer Temperatur der Asphaltschicht und Bestimmen des Verdichtungsgrads der Asphaltschicht anhand der Laufzeit und/oder der Dämpfung der Amplitude des Ultraschallimpulses durch die Asphaltschicht und der Temperatur der Asphaltschicht.
In einer Ausführungsform der Erfindung hat der Asphalt der Asphaltschicht eine Temperatur von 100 °C oder mehr, vorzugsweise von 110 °C oder mehr. In einer Ausführungsform der Erfindung hat der Asphalt der Asphaltschicht eine Temperatur in einem Bereich von 100 °C bis 150 °C.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen und der dazugehörigen Figuren deutlich.

1 ist eine schematische Seitenansicht eines Handgeräts zum Erfassen des Verdichtungsgrads einer Asphaltschicht gemäß der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine gegenüber der Darstellung aus 1 um 90° gedrehte Querschnittsansicht des Handgeräts zum Erfassen Verdichtungsgrads einer Asphaltschicht.
3 ist eine schematische Darstellung eines Systems zum Erfassen des Verdichtungsgrads einer Asphaltschicht gemäß der vorliegenden Erfindung.

In den Figuren sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Die 1 und 2 zeigen teilweise geschnittene Seitenansichten einer Variante der vorliegenden Erfindung, bei welcher die Vorrichtung zum Erfassen des Verdichtungsgrads einer heißen Asphaltschicht 2 in Form eines Handgeräts 1 realisiert ist. Das Handgerät ist mit einem Gewicht von etwa 10 kg und der gewählten Bauform gut auf einer Straßenbaustelle tragbar. Dazu weist das Handgerät 1 einen Tragegriff 3 auf.
Im unteren Teil des Handgeräts sind ein Ultraschallsender 4 und ein Ultraschallempfänger 5 vorgesehen, die aus einer Ultraschallquelle 6 bzw. einem -detektor 7 und jeweils einem Ultraschallkoppler 8, 9 bestehen. Die Ultraschallkoppler 8, 9 sind so beschaffen, dass die Ultraschallwelle 10 unter einem Winkel gegenüber der Oberflächennormale 11 der Oberfläche 13 der Asphaltschicht 2 in diese einkoppelbar ist. Auf diese Weise ist die Wechselwirkungslänge zwischen der Ultraschallwelle 10 und der Asphaltschicht 2 deutlich länger, als dies bei einem Einfalls- bzw. Ausfallswinkel von 0° der Fall wäre. Darüber hinaus ermöglicht diese Ausgestaltung der Ultraschallkoppler 8, 9 die Ein- und Auskopplung von Ultraschallimpulsen, die sich in etwa parallel zur Oberfläche 13 der Asphaltschicht in dieser ausbreiten, so dass die Ultraschallimpulse nicht an einer der Oberfläche 13 gegenüberliegenden Grenzfläche der Asphaltschicht reflektiert werden müssen, um von dem Ultraschallkoppler 9 des Ultraschallempfängers 5 aus der Asphaltschicht ausgekoppelt zu werden.
Die Ultraschallkoppler 8, 9 sind mithilfe von Andruckpuffern in Richtung der Asphaltschicht 2 vorgespannt, um die Ankopplung der Ultraschallwellen zu verbessern. Die Ultraschallquelle 6 und der Ultraschalldetektor 7 sind für das Erzeugen und Erfassen von Ultraschallimpulsen mit einer Mittenfrequenz von 25 kHz ausgestaltet.
Sind nun der Abstand zwischen den Kopplern 8, 9 sowie der Mischguttyp der Asphaltschicht 2, d. h. insbesondere die Zusammensetzung des Binders und des Gesteinsmaterials, bekannt, so lässt sich aus einer Laufzeitmessung des Ultraschallimpulses 10 zwischen der Quelle 6 und dem Detektor 7 unmittelbar die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Impulses 10 in der Asphaltschicht 2 bestimmen. Da die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Ultraschallimpulses 10 in der Asphaltschicht 2 bei bekanntem Typ der Asphaltschicht nur von der Temperatur und dem Verdichtungsgrad der Asphaltschicht 2 abhängt, lässt sich der Verdichtungsgrad bestimmen, wenn die Temperatur erfasst wird und die Vorrichtung in einem Speicher eine Vielzahl von Korrelationen zwischen der Ausbreitungsgeschwindigkeit und dem Verdichtungsgrad für eine Vielzahl von Temperaturen der Asphaltschicht 2 gespeichert hat.
Zum Erfassen der Temperatur weist die Vorrichtung 1 einen Temperatursensor in Form eines Infrarotpyrometers 12 auf, welches ohne thermischen Kontakt mit der Oberfläche 13 der Asphaltschicht 2 die Temperatur der Oberfläche 13 erfasst. Es versteht sich, dass die Temperatur der Oberfläche 13 der Asphaltschicht 2 nur ein Maß für die Temperatur im Inneren der Asphaltschicht 2 ist. Allerdings lässt sich aus diesem Maß die tatsächliche Temperatur im Inneren der Asphaltschicht 2 ableiten. Das Pyrometer 12 ist so ausgestaltet, dass es einen Oberflächenabschnitt der Oberfläche 13 mit einer Abmessung von 20 cm x 20 cm erfasst. Auf diese Weise werden lokale Temperaturunterschiede, beispielsweise von auf der Oberfläche 13 stehenden Wassertropfen, bei der Messung herausgemittelt.
Die Quelle 6, der Detektor 7 sowie das Thermometer 12 sind elektrisch mit einer Auswerteeinrichtung 14 der Vorrichtung 1 verbunden. Diese Auswerteeinrichtung 14 umfasst den Speicher für die erwähnten Korrelationen und ermöglicht das Bestimmen des Verdichtungsgrad der Asphaltschicht 2.
Darüber hinaus umfasst die Auswerteeinrichtung 14 eine kabellose Datenschnittstelle 19 zum Verbinden der Vorrichtung 1 mit einem mobilen Rechner, wie einem Tablet oder einem Mobiltelefon. Ferner weist die Auswerteeinrichtung 14 einen GPS-Empfänger 17 zum Bestimmen der genauen geographischen Standortdaten der Vorrichtung 1 für jede Messung des Verdichtungsgrads der Asphaltschicht 2 auf. Die Auswerteeinrichtung 14 kann daher für jede Messung ein Wertepaar aus Verdichtungsgrad und geographischen Ort erzeugen, abspeichern und über eine GSM-Datenschnittstelle 16 an einen Rechner übertragen.
Die Auswerteeinrichtung 14 ist darüber hinaus mit einem Display 18 verbunden, welches die Messdaten einem Benutzer unmittelbar an Ort und Stelle anzeigt. Darüber hinaus ist in der gezeigten Ausführungsform das Display 18 ein berührungsempfindliches Display, welches es dem Benutzer ermöglicht, den Asphalttyp der Asphaltschicht 2 in die Vorrichtung 1 einzugeben.
3 zeigt schematisch eine Architektur mit einer tragbaren Vorrichtung 1 aus den 1 und 2 sowie eine Straßenwalze 19, welche ebenfalls über eine Variante der erfindungsgemäße Vorrichtung 1` zum Erfassen des Verdichtungsgrads einer Asphaltschicht verfügt. Dabei ist die Vorrichtung 1` in das Verdichterrad der Walze 19 integriert, sodass die Ankopplung der Ultraschallwellen zwischen der Vorrichtung 1` und der Asphaltschicht 2 durch die Bandage 20 der Verdichterwalze erfolgt.
Beide Vorrichtungen 1,1' verfügen jeweils über einen GPS-Empfänger 17 (in 3 nicht gezeigt), welcher Navigationssignale von Satelliten 21 empfängt, sodass jeder Messwert einem konkreten geographischen Ort auf der Baustelle zugeordnet werden kann.
Wie in 3 angedeutet verfügt die tragbare Messvorrichtung 1 über eine Bluetooth- oder Funk-Schnittstelle zum Verbinden mit dem Smartphone 23 oder einem Tablet des Benutzers 22, sodass dieser Eingaben, wie zur Dicke der Asphaltschicht, bequem von seinem mobilen Gerät 23 aus vornehmen und auch die Messwerte dort unmittelbar ablesen und übernehmen kann. Sowohl die tragbare Messvorrichtung 1 als auch die auf der Straßenwalze 19 vorgesehene Messvorrichtung 1` verfügen zudem über GSM-Schnittstellen 16 (in 3 nicht gezeigt), die die Messvorrichtungen 1, 1' mit dem Internet 24 verbinden, sodass die gewonnenen Messdaten unmittelbar an einen Rechner, beispielsweise der Bauleitung, übertragen werden können.
Für Zwecke der ursprünglichen Offenbarung wird darauf hingewiesen, dass sämtliche Merkmale, wie sie sich aus der vorliegenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen für einen Fachmann erschließen, auch wenn sie konkret nur im Zusammenhang in bestimmten weiteren Merkmalen beschrieben wurden, sowohl einzeln als auch in beliebigen Zusammenstellungen mit anderen der hier offenbarten Merkmale oder Merkmalsgruppen kombinierbar sind, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wurde oder technische Gegebenheiten derartige Kombinationen unmöglich oder sinnlos machen. Auf die umfassende, explizite Darstellung sämtlicher denkbarer Merkmalskombination wird hier nur der Kürze und der Lesbarkeit der Beschreibung wegen verzichtet.
Während die Erfindung im Detail in den Zeichnungen der vorangehenden Beschreibung dargestellt und beschrieben wurde, erfolgt diese Darstellung und Beschreibung lediglich beispielhaft und ist nicht als Beschränkung des Schutzbereichs gedacht, sowie er durch die Ansprüche definiert wird. Die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt.
Abwandlungen der offenbarten Ausführungsformen sind für den Fachmann aus den Zeichnungen, der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen offensichtlich. In den Ansprüchen schließt das Wort „aufweisen“ nicht andere Elemente oder Schritte aus, und der unbestimmte Artikel „eine“ oder „ein“ schließt eine Mehrzahl nicht aus. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Merkmale in unterschiedlichen Ansprüchen beansprucht sind, schließt ihre Kombination nicht aus. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Beschränkung des Schutzbereichs gedacht.
Bezugszeichenliste

1: tragbare Messvorrichtung
1`: Messvorrichtung in einer Walze
2: Asphaltschicht
3: Tragegriff
4: Ultraschallsender
5: Ultraschallempfänger
6: Ultraschallquelle
7: Ultraschalldetektor
8, 9: Ultraschallkoppler
10: Ultraschallwelle
11: Oberflächennormale der Oberfläche 13 der Asphaltschicht 2
12: Infrarotpyrometer
13: Oberfläche der Asphaltschicht 2
14: Auswerteeinrichtung
15: Bluetooth-Schnittstelle
16: GSM-Schnittstelle
17: GPS-Empfänger
18: Display
19: Walze
20: Bandage
21: Satelliten
22: Benutzer
23: Smartphone
24: Internet
D: Dicke der Asphaltschicht 2
25: Büro - PC

Claims

Vorrichtung (1, 1') zum Erfassen des Verdichtungsgrads einer Asphaltschicht (2) mit einem Ultraschallsender (4), der so eingerichtet und angeordnet ist, dass mit dem Ultraschallsender (4) ein Ultraschallimpuls (10) erzeugbar und durch eine Oberfläche (13) der Asphaltschicht (2) in die Asphaltschicht (2) einkoppelbar ist, einem Ultraschallempfänger (5), der so eingerichtet und angeordnet ist, dass mit dem Ultraschallempfänger (5) der durch die Asphaltschicht (2) gelaufene Ultraschallimpuls (10) durch eine Oberfläche (13) der Asphaltschicht (2) aus der Asphaltschicht (2) auskoppelbar und erfassbar ist, einem berührungslos messenden Thermometer (12), das so eingerichtet und angeordnet ist, dass mit dem Thermometer (12) die Temperatur der Asphaltschicht (2) messbar ist, und einer wirksam mit dem Ultraschallsender (4), dem Ultraschallempfänger (5) und dem Thermometer (12) verbundenen Auswerteeinrichtung (14), die derart eingerichtet ist, dass mit der Auswerteeinrichtung (14) anhand der Laufzeit des Ultraschallimpulses (10) von dem Ultraschallsender (4) durch die Asphaltschicht (2) zu dem Ultraschallempfänger (5) und/oder der Dämpfung der Amplitude des Ultraschallimpulses (10) durch die Asphaltschicht und der Temperatur der Asphaltschicht (2) der Verdichtungsgrad der Asphaltschicht (2) bestimmbar ist.
Vorrichtung (1, 1') nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallsender (4), so eingerichtet und angeordnet ist, dass mit dem Ultraschallsender (4) ein Ultraschallimpuls (10) mit einer Mittenfrequenz von 50 kHz oder weniger, vorzugsweise von 40 kHz oder weniger, bevorzugt von 30 kHz oder weniger und besonders bevorzugt von 25 kHz erzeugbar und in die Asphaltschicht (2) einkoppelbar ist.
Vorrichtung (1, 1') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (14) einen Speicher aufweist, in dem für mindestens einen Asphalttyp und optional für mindestens eine Dicke (D) der Asphaltschicht (2) eine Korrelation zwischen der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Ultraschallimpulses (10) mit der Mittenfrequenz und dem Verdichtungsgrad der Asphaltschicht (2) für eine Mehrzahl von Temperaturen gespeichert ist.
Vorrichtung (1, 1') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine wirksam mit der Auswerteeinrichtung (14) verbundene Datenschnittstelle (15, 16) für eine Dateneingabe und/oder einen Datenexport aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen wirksam mit der Auswerteeinrichtung (14) verbundenen Empfänger (17) für ein Satellitennavigationssystem aufweist, wobei die Auswerteeinrichtung (14) derart eingerichtet ist, dass sie zu einem anhand der Laufzeit des Ultraschallimpulses (10) bestimmten Verdichtungsgrad den geographischen Ort speichert, an dem die Erfassung erfolgt ist.
Vorrichtung (1, 1') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallsender (4) eine Ultraschallquelle (6), die so eingerichtet ist, dass mit der Ultraschallquelle (6) ein Ultraschallimpuls (10) mit der Mittenfrequenz erzeugbar ist, und einen mit der Ultraschallquelle (6) verbundenen Ultraschallkoppler (8), der so eingerichtet und angeordnet ist, dass über den Ultraschallkoppler (8) der Ultraschallimpuls (10) durch die Oberfläche (13) der Asphaltschicht (2) in die Asphaltschicht (2) einkoppelbar ist, aufweist und der Ultraschallempfänger (5) einen Ultraschalldetektor (7), der so eingerichtet ist, dass mit dem Ultraschalldetektor (7) der Ultraschallimpuls, der die Asphaltschicht (2) durchlaufen hat, erfassbar ist, und einen mit dem Ultraschalldetektor (7) verbundenen Ultraschallkoppler (9), der so eingerichtet und angeordnet ist, dass über den Ultraschallkoppler (9) der Ultraschallimpuls (10), der die Asphaltschicht (2) durchlaufen hat, durch die Oberfläche (13) der Asphaltschicht (2) aus der Asphaltschicht (2) auskoppelbar und in den Ultraschalldetektor (7) einkoppelbar ist, aufweist.
Vorrichtung (1, 1') nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallkoppler (8) des Ultraschallsenders (4) und der Ultraschallkoppler (9) der Ultraschallempfänger (5) derart ausgestaltet und angeordnet sind, dass der Ultraschallimpuls (10) unter einem von 0° verschiedenen Winkel zu einer Flächennormale (11) der Oberfläche (13) der Asphaltschicht (2) durch die Oberfläche (13) in die Asphaltschicht (2) einkoppelbar und aus der Asphaltschicht (2) auskoppelbar ist.
Vorrichtung (1, 1') nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen einer mit der Asphaltschicht (2) in Eingriff zu bringenden Anregungsfläche des Ultraschallkopplers (8) des Ultraschallsenders (4) und einer mit der Asphaltschicht (2) in Eingriff zu bringenden Anregungsfläche des Ultraschallkopplers (9) des Ultraschallempfängers (5) einstellbar veränderbar ist.
Vorrichtung (1, 1') nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit der Asphaltschicht (2) in Eingriff zu bringende Anregungsfläche des Ultraschallkopplers (8, 9) eine Fläche von mindestens 2 cm x 2 cm, vorzugsweise von mindestens 4 cm x 4 cm, aufweist.
Vorrichtung (1, 1') nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallquelle (6) und/oder der Ultraschalldetektor (7) eine Temperaturbeständigkeit von bis zu 200° C aufweisen.
Vorrichtung (1, 1') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung derart ausgestaltet ist, dass mit ihr eine Asphaltschicht mit einer Temperatur über den gesamten Bereich von 0 °C bis mehr als 100 °C, vorzugsweise von 0 °C bis 150 °C, messbar ist.
Vorrichtung (1, 1') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Thermometer (12) derart eingerichtet und angeordnet ist, dass mit dem Thermometer eine Fläche der Asphaltschicht von 5 cm x 5 cm oder mehr und vorzugsweise von 10 cm x 10 cm oder mehr erfassbar ist.
Vorrichtung (1, 1') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein tragbares Handgerät ist.
Verdichtungswalze (19) mit einer Vorrichtung (1, 1') nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
Verfahren zum Erfassen des Verdichtungsgrads einer Asphaltschicht (2) mit den Schritten Erzeugen eines Ultraschallimpulses (10) mit einer Mittenfrequenz, Einkoppeln des Ultraschallimpulses (10) durch eine Oberfläche (13) der Asphaltschicht (2) in die Asphaltschicht (2), Auskoppeln des Ultraschallimpulses (10), der die Asphaltschicht (2) durchlaufen hat, durch eine Oberfläche (13) der Asphaltschicht (2) aus der Asphaltschicht (2), Erfassen des aus der Asphaltschicht (2) ausgekoppelten Ultraschallimpulses (10), Erfassen der Temperatur der Asphaltschicht (2) und Bestimmen des Verdichtungsgrads der Asphaltschicht (2) anhand der Laufzeit des Ultraschallimpulses (10) durch die Asphaltschicht (2) und/oder der Dämpfung der Amplitude des Ultraschallimpulses (10) durch die Asphaltschicht und der Temperatur der Asphaltschicht (2).
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Asphaltschicht (2) eine Temperatur von 100° C oder mehr aufweist.