DE19841325A1

DE19841325A1 - Verfahren und Vorrichtung zur zerstörungsfreien Bestimmung des Abstandes zu einem metallischen Gegenstand in nichtmetallischer und unmagnetischer Umgebung und/oder zur Bestimmung seiner geometrischen Dimension

Info

Publication number: DE19841325A1
Application number: DE19841325A
Authority: DE
Inventors: Hans-Friedrich Dipl Ing Nix
Original assignee: NIX STEINGROEVE ELEKTRO PHYSIK
Current assignee: NIX STEINGROEVE ELEKTRO PHYSIK
Priority date: 1997-09-26
Filing date: 1998-09-10
Publication date: 1999-04-08

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur zerstörungsfreien Bestimmung

- der Position und des Verlaufs von metallischen Suchkör pern, die in nichtmetallischem und nichtmagnetischem Material angeordnet sind,
- sowie der Dicke von nichtmetallischen und nichtmagne tischen Überdeckungen über diesen Suchkörpern
- und der geometrischen Dimensionen dieser Suchkörper nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 und bezieht sich ferner auf Vorrichtungen zum Durchführen des Verfahrens.

Derartige Meßvorrichtungen werden hauptsächlich im Stahlbe tonbau zur Bestimmung der Betonüberdeckung über der Stahlbe wehrung benötigt. Diese bestehen in der Regel aus runden Stahlstäben mit Durchmessern von 4 mm bis 50 mm. Bei der Beurteilung der statischen Sicherheit ist die Dicke der Be tonüberdeckung ein Kriterium für den Korrosionsschutz der Stahlbewehrung. Die Betonüberdeckung darf deshalb eine Min destdicke nicht unterschreiten, um sicherzustellen, daß durch Korrosionseinwirkung eine Reduzierung des Stabquerschnittes der Stahlbewehrung nicht eintritt. Ebenso stellt der Durch messer des Stahlstabs ein Maß für die Belastbarkeit des Bau werks dar. Darüber hinaus macht auch die Kenntnis der Lage und Häufigkeit der Bewehrungen eine Aussage über die Stabili tät des Bauwerks.

Im Straßenbau wird außerdem mit metallischen Meßreflektoren gearbeitet, um auch eine nachträgliche Kontrolle der einge bauten Schichten zu ermöglichen.

Die metallischen Meßreflektoren bestehen in der Regel aus Aluminiumfolien oder Aluminiumbändern oder Stahlplatten, die im bituminösen Straßenbau zur zerstörungsfreien Dickenmessung der einzelnen Asphaltschichten verwendet werden. Sie werden jeweils vor dem Einbau der nächsten Schicht auf den Unter grund geklebt oder gelegt. Nach Einbau der Schicht kann dann durch Aufsetzen der Meßsonde eines entsprechenden Meßgerätes über dem vorher georteten Meßreflektor nach dem Prinzip der elektromagnetischen Dickenmessung die Dicke der Schicht zer störungsfrei gemessen werden. Diese Messung kann nur dann mit der geforderten Genauigkeit durchgeführt werden, wenn das Meßgerät exakt auf die Größe des metallischen Meßreflektors abgestimmt ist. Die Abmessungen der verwendeten Meßreflekto ren sind jedoch je nach Geräteanbieter unterschiedlich groß und schwanken zwischen 10 cm × 10 cm bis zu 30 cm × 100 cm und mehr. Die genaue Größe ist in vielen Fällen, insbesondere wenn die Baumaßnahmen längere Zeit zurückliegen, nicht be kannt. Um den Abstand zum Meßreflektor und damit die Schicht dicke bei unterschiedlich großen eingebauten Meßreflektoren immer richtig und zerstörungsfrei messen zu können und auch die Größe des eingebauten Meßreflektors genau bestimmen zu können, wird ein Gerät benötigt, mit dem solche Messungen gleichzeitig in einem einzigen Arbeitsgang durchgeführt wer den können. Ein schichtzerstörendes Aufhacken der Straße über den unterschiedlich großen Meßreflektoren zur Bestimmung der genauen Reflektorgröße erübrigt sich dann.

Die Bestimmung der Reflektorgröße ist nämlich von entschei dender Bedeutung für die maximale Meßtiefe, die mit dem Meß gerät erfaßt werden kann. Je kleiner die Fläche der Meßre flektoren ist, desto weniger stark darf die Asphaltdecke sein, um deren Dicke noch exakt messen zu können. Wenn im Straßenbau nacheinander mehrere Schichten aufgebracht werden sollen, muß bekannt sein, wie tief über einem vorher einge bauten Meßreflektor genau die Gesamtdicke der später aufge brachten Schichten noch gemessen werden kann. Die kombinierte Bestimmung von Dicke der Asphaltschicht und der Größe des Meßreflektors ist daher für die Qualitätsbeurteilung von großer Bedeutung.

Im praktischen Gebrauch sind bisher fast immer kleinere oder schmälere Meßreflektoren, deren Breite geringer ist als das Zweifache des Sondendurchmessers.

Mit den bekannten Meßgeräten ist es bisher nicht möglich, die beiden unbekannten Größen, nämlich die Schichtdicke über dem Meßreflektor und die Größe des Meßreflektors,in einem ein zigen Meßvorgang zu bestimmen.

Auch im Stahlbetonbau werden Stahlstäbe je nach Anforderung an die Stabilität des Betons mit verschieden großen Durchmes sern in den Beton eingebettet. Für die Langlebigkeit der Bauten und für die geforderte Statik der Betonkonstruktion ist es aber unbedingt erforderlich, eine definierte Beton überdeckung ebenso wie einen definierten Stabdurchmesser einzuhalten.

Die Dicke der Betonüberdeckung alleine wird mit einfachen Geräten gemessen, die bei bekanntem Stabdurchmesser der Ar mierung entweder die Möglichkeit zur Eingabe des Korrektur parameters "Durchmesser" haben und nach Eingabe des bekannten Stabdurchmessers dann relativ genau messen oder auf diese Möglichkeit der Korrektureingabe verzichten, dann aber mit großen Fehlern die Überdeckung bestimmen.

Die Dicke der Betonüberdeckung und des Stabdurchmessers wird mit höherwertigen Meßgeräten in getrennten Meßvorgängen be stimmt.

So ist es bekannt, für jede Meßaufgabe getrennte Sonden zu benutzen. Zum Beispiel wird für die Messung des Stabdurchmes sers eine spezielle Sonde benutzt, die nur für die Messungen von Stabdurchmessern geeignet ist. Eine solche Sonde besteht aus drei nebeneinander angeordneten Spulensystemen. Nachdem der Durchmesser mit diesem Gerät bestimmt worden ist, muß die Durchmessersonde am Auswertegerät gegen eine andere Sonde, die nur zur Messung der Betonüberdeckung geeignet ist, ge wechselt werden. Der vorher ermittelte Stabdurchmesser muß dann von Hand als Korrekturparameter dem Auswertegerät einge geben werden, um anschließend die Dicke der Betonüberdeckung messen zu können. Mit einer dritten Sonde für dieses Gerät können Betonüberdeckungen von sehr tiefliegenden Bewehrungs stäben (bis etwa 120 mm) bestimmt werden. Hierbei muß dann ebenfalls der Stabdurchmesser bekannt sein und vorher als Korrekturparameter in das Auswertegerät eingegeben werden.

Ein anderes bekanntes Gerät (GB 22 25 856 B) hat eine recht eckig ausgebildete Sonde mit mehreren länglichen Spulensyste men, die nicht konzentrisch zueinander angeordnet sind. Die Meßanordnung erlaubt zwar auch die Bestimmung der Position der Bewehrung, der Betonüberdeckung und des Stabdurchmessers. Für eine richtige Messung muß jedoch die Richtung der Armie rungseisen bekannt sein, damit die längere Achse der recht eckigen Sonde beim Überstreichen der Betonoberfläche in die gleiche Längsrichtung wie der Stabverlauf gehalten werden kann. Bei nichtparalleler Führung der Sonde zu den Stabachsen wird fehlerhaft gemessen. Bei einem unbekannten schrägen Verlauf der Bewehrungsstäbe oder bei schräger Führung der Sonde über die Betonoberfläche wird beim Überqueren der Ar mierungsstäbe zwar ein Meßsignal-Extremum auf dem Auswerte gerät festgestellt, dies ist aber nicht ein Indikator für das Meßgerät, an dieser Stelle und in dieser Richtung der Sonde die Berechnung für die Dicke der Betonüberdeckung und den Durchmesser durchzuführen. Für die richtige Berechnung der Überdeckung und des Stabdurchmessers muß vielmehr erst in mehreren Überquerungen das Extremum der Extremawerte gefunden werden.

Beim schnellen Suchen und Messen bzw. beim Suchen und Messen mit verringerter Arbeitskonzentration können daher mit sol chen Geräten leicht Fehlmessungen gemacht werden, die folgen schwere Auswirkungen haben können.

Diese bekannte Sonde ist auf Grund ihrer gleich großen Spu lensysteme auch nicht in der Lage relativ tiefliegende Stahl stäbe zu orten bzw. deren Betonüberdeckung zu messen. Für die Überdeckungsmessung bei tiefliegenden Stahlstäben wird viel mehr eine spezielle große Sonde angeboten.

Aus DE 36 15 652 A1 ist weiterhin ein induktives Suchgerät bekannt, das aus mindestens einer Senderspule und zwei Em pfängerspulen, insgesamt also mindestens drei Spulen besteht. Von der Senderspule wird stets ein gleichartiges magnetisches Feld erzeugt, wobei die von den Suchspulen empfangenen Signa le gleichzeitig miteinander ins Verhältnis gesetzt und zur Bestimmung nur der Tiefenlage des Suchkörpers bzw. der Über deckung über diesem benutzt wird.

Neben der Ortung eines Suchkörpers erlaubt dieses bekannte induktive Suchgerät somit nur eine Tiefenlagebestimmung, aber nicht zusätzlich die Bestimmung der Dimension des metalli schen Suchkörpers.

Ebenso besteht auch das aus US 4,295,095 bekannte Sondensy stem aus einer Senderspule und zwei Empfängerspulen, also insgesamt drei Spulen. Die drei Spulen liegen auch nicht auf einer gemeinsamen Achse, sondern die Senderspule ist gegen über den beiden Empfängerspulen seitlich versetzt und strahlt stets ein gleichbleibendes elektromagnetisches Feld ab. Beide Empfängerspulen arbeiten nicht eigenständig. Die Signale beider Empfängerspulen werden vielmehr gleichzeitig mitein ander verknüpft und ausgewertet. Mit diesem bekannten Sonden system kann die Dimension des Suchkörpers nur sehr ungenau bestimmt werden. Die Meßfehler liegen im günstigsten Fall bei 10% unter der Voraussetzung, daß es bekannt ist, um welches Metall es sich handelt, und daß der Spulenabstand zwischen der Senderspule und der Empfängerspule um ein vielfaches kleiner ist, als der Abstand zwischen der Senderspule und dem Suchkörper.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, zerstörungsfrei die Überdeckung bzw. den Abstand zu einem ferromagnetischen und/ oder elektrisch leitenden Gegenstand, der in einem nichtme tallischen und unmagnetischen Material angeordnet ist, zu messen und gleichzeitig in einem einzigen Meßvorgang auch die Form und/oder Größe des metallischen Gegenstandes wie auch dessen Lage bzw. Richtung zu bestimmen.

Diese Aufgabe wird bei dem Verfahren zur zerstörungsfreien Bestimmung

- der Position und des Verlaufs von metallischen Suchkör pern, die in nichtmetallischem und nichtmagnetischem Material angeordnet sind,
- sowie der Dicke von nichtmetallischen und nichtmagne tischen Überdeckungen über diesen Suchkörpern
- und der geometrischen Dimensionen dieser Suchkörper

unter Verwendung einer elektromagnetisch wirkenden Meßsonde mit zwei Spulen, die mit ihren Feldaustrittsflächen parallel und in einem definierten Abstand über den relevanten Oberflä chenbereich geführt werden und in Abhängigkeit des Abstandes zum metallischen Suchkörper unterschiedliche Meßsignale lie fern, wobei deren Signale ein Maß für die Position und die Dicke der Überdeckung und für die geometrischen Dimensionen der Suchkörper sind,
wobei in einem Sondengehäuse zwei Spulen auf einer gemein samen Achse entweder konzentrisch oder in Achsrichtung gegen einander versetzt angeordnet sind,
und wobei die Spulen bei konzentrischer Anordnung unter schiedliche Spulengröße bzw. bei axial versetzter Anordnung unterschiedliche Abstände zum metallischen Suchkörper bei gleichen oder unterschiedlichen Spulengrößen haben,
gemäß der Erfindung dadurch gelöst,
daß die Spulen zeitlich versetzt unabhängig voneinander er regt oder elektrisch entkoppelt, z. B. mit Strömen verschiede ner Frequenzen erregt und die Rückwirkungen des metallischen Suchkörpers auf die jeweils erregte Spule für sich gemessen und jeweils unabhängig voneinander gespeichert sowie einer Auswerteeinheit zugeführt und erst in dieser Auswerteeinheit verarbeitet und in die gesuchten Größen für die Überdeckung "s" und für die geometrischen Dimensionen "g" des Suchkörpers umgerechnet und zur Anzeige gebracht werden.

Besonders vorteilhafte zusätzliche Varianten dieses Verfah rens sind in den Ansprüchen 2 bis 7 enthalten, während beson ders vorteilhafte Vorrichtungen zum Durchführen des erfin dungsgemäßen Verfahrens in den Ansprüche 8 bis 16 gekenn zeichnet sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den besonderen Vorteil, daß insgesamt nur zwei voneinander unabhängige, jeweils für sich allein arbeitende Spulen erforderlich sind, um in einem einzigen Meßvorgang gleichzeitig die Form und/oder Größe des metallischen Suchkörpers wie auch dessen Lage bzw. Richtung zu bestimmen. Die beiden Spulen liegen auf einer Achse und werden entweder zeitlich oder elektrisch voneinander entkop pelt aktiviert. Dadurch, daß die beiden Spulen entweder einen unterschiedlichen Durchmesser haben oder bei gleichen oder unterschiedlichen Abmessungen in einem unterschiedlichen axialen Abstand von dem Suchkörper angeordnet sind und unab hängig voneinander erregt werden, sind die von jeder der beiden Spulen ausgesandten Magnetfelder deutlich verschieden voneinander. Die daraus resultierenden unterschiedlichen Rückwirkungen des metallischen Suchkörpers auf die jeweils erregte Spule können somit für sich gemessen und jeweils unabhängig voneinander in einer Auswerteeinheit verarbeitet, gespeichert und schließlich in die gesuchten Größen für die Überdeckung "s" und für die geometrische Dimension "g" des Suchkörpers umgerechnet und zur Anzeige gebracht werden.

Die Meßgenauigkeit ist dabei sehr groß ohne eine spezielle Anforderung an die gegenseitige Zuordnung der Spulen. Vor richtungen, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbei ten, erlauben das Orten des Suchkörpers, die Bestimmung der Tiefenlage und die Bestimmung der Dimension mit nur einem einzigen Gerät.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich in der Praxis alle benötigten geometrischen Größen, nämlich Überdeckung, Durchmesser der Stahlbewehrung, Lage der Stahlbewehrung und Häufigkeit bzw. Struktur der Stahlbewehrung, völlig zerstö rungsfrei, also ohne die Betonüberdeckung wegzustemmen, ein deutig und genau bestimmen. Dies gilt auch für die Bestimmung der Asphaltüberdeckung mit Meßreflektoren, die in die Fahr bahndecke eingebaut sind.

Die Spulen der neuen Meßsonde können dabei so dimensioniert werden, daß eine erste Spule mit einer größeren Feldaus trittsfläche und eine zweite Spule mit einer kleineren Feld austrittsfläche konzentrisch so zueinander angeordnet sind, daß beide Feldaustrittsflächen auf einer Ebene liegen. Die Spulen mit gleicher oder unterschiedlich großer Feldaus trittsfläche können aber auch koaxial auf verschiedenen Ebe nen angeordnet sein.

Beide Spulen werden völlig unabhängig voneinander mit Wech selströmen erregt, so daß sie in den Suchkörper verschiedene Magnetflüsse bzw. verschiedene Magnetfelder induzieren.

Die Veränderungen der elektrischen Größen, die durch elek tromagnetische Rückwirkungen des metallischen Suchkörpers bei der Erregung der beiden Spulen verursacht werden, werden dementsprechend ebenfalls unabhängig voneinander gemessen.

Die Erregerströme in den beiden Spulen sind unterscheidbar aktiviert, z. B. zeitlich versetzt und/oder haben unterschied liche Frequenzen, so daß die Rückwirkungen des metallischen Suchkörpers auf die beiden Spulen eindeutig identifizierbar sind.

Beide Spulen liefern daher in der optimalen Position über dem Metallkörper unterschiedliche Meßsignale.

Nach der mathematisch begründeten Informationstheorie werden für die Bestimmung von zwei unbekannten Größen mindestens zwei unabhängige Meßgrößen benötigt, um daraus in einer Aus werteeinheit die zwei gesuchten Meßwerte zu ermitteln.

Durch geeignete Dimensionierung der Spulen ergibt sich zu jedem möglichen Wertepaar der Überdeckung "s" und der geome trischen Dimension "g" in einem vorgegebenen Bereich ein Signalvektor (I_a, I_b), wobei das I_a das Signal der ersten Spule und I_b das Signal der zweiten Spule ist.

Dieser Vektor ist einzig und eindeutig; das heißt jedes Wer tepaar "s" und "g" ergibt nur einen Signalvektor.

Außerdem existiert zu jedem Vektor (I_a, I_b) ein Wertepaar "s" und "g", so daß durch eine geeignete Transformation die Über deckung "s" und die geometrische Dimension "g" aus dem Meßsi gnal I_a und I_b eindeutig bestimmt werden können:

Mit der Meßvorrichtung nach der Erfindung können somit die Beton- oder Asphaltüberdeckung und eine dimensionelle Größen angabe "g", z. B. die Breite "b" des Metallbandes im Straßen bau oder der Stabdurchmesser "d" der Stahlbewehrung in der Betonkonstruktion, bestimmt werden. Die Meßsignale der ver schieden großen bzw. verschieden positionierten Spulen sind unabhängig voneinander und können daher für die Bestimmung der beiden unbekannten mechanischen Dimensionen herangezogen werden.

Die Bestimmung beider dimensionellen Größen wird begrenzt durch die Reichweite der kleineren Spule bzw. durch die Spu le, die am ehesten den Sättigungsabstand zu dem Meßreflektor bzw. zu den Stahlbewehrungsstäben erreicht. Der Sättigungs abstand ist derjenige Abstand bei dem eine weitere Abstands vergrößerung keine verwertbare Zunahme des Meßsignals be wirkt.

Bei Verwendung von zwei unterschiedlich großen Spulen kann die größere Meßspule alleine aktiviert werden, um bei bekann ter Größe des Metallkörpers eine größere Suchtiefe bzw. eine größere Meßtiefe zu erreichen.

Bei Verwendung von zwei unterschiedlich großen Spulen kann auch die kleinere Spule alleine aktiviert werden, um die Position des Metallkörpers punktgenau zu orten. Dies ist besonders dann hilfreich, wenn andere nahegelegene, parallel verlaufende Metallkörper, z. B. parallele Bewehrungsstäbe in Beton, geortet bzw. bei bekannter Dimension des Metallkörpers die Betonüberdeckung gemessen werden soll.

Alle diese Meßvorgänge lassen sich gemäß der Erfindung mit nur einer einzigen Meßsonde durchführen, wenn Spulen mit zwei unterschiedlich großen Feldaustrittsflächen verwendet werden oder Spulen mit gleich großen Feldaustrittsflächen, die aber koaxial abstandsversetzt angeordnet sind oder eine Kombina tion der ersten und der zweiten Aufbauart darstellen.

Das Orten bzw. Suchen des oder der Metallkörper, die Messung der Überdeckung und die Bestimmung einer Dimensionsgröße des oder der aufgefundenen Metallkörper wird bei der erfindungs gemäßen Anordnung der Spulen mit nur einer einzigen Meßsonde in einem Meßvorgang realisiert.

Durch das Arbeiten mit nur einer einzigen Meßsonde für alle vorkommenden Messungen entfällt auch die Fehlermöglichkeit durch Auswerten eines falschen Meßsignal-Extremums, wie oben beschrieben, da die Meßsonden konzentrisch aufgebaut sind und in jeder Drehung um ihre gemeinsame Achse immer nur ein Ex tremum haben und daher immer gleiche Meßwerte für die Aus wertung liefern.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch dargestellt. Es zeigen

Fig. 1 eine Teildarstellung einer Fahrbahndecke mit einem Aluminium-Meßreflektor unter einer Asphaltdeck schicht und mit einer Meßsonde,

Fig. 2 eine Teildarstellung einer Stahlbetondecke oder -wand mit einem Einzelbewehrungsstab und zwei par allelen Doppelstäben mit Meßsonde,

Fig. 3 einen senkrechten Schnitt durch eine Meßanordnung mit einem Aluminiumband als Meßreflektor im Ein flußbereich der Feldlinienräume einer Meßsonde mit zwei in gleicher Ebene angeordneten äußeren und inneren Spulen bei der Messung der Asphaltüberdec kung "s" und der Breite "b" des Meßreflektors, wobei die gepunkteten Linien den Feldverlauf ohne Aluminiumband zeigen,

Fig. 4 einen senkrechten Schnitt durch eine Meßanordnung mit einem Stahlbewehrungsstab in Beton im Einfluß bereich der Feldlinienräume der äußeren und der inneren-Spule bei der Messung der Betonüberdeckung "s" und des Stabdurchmessers "d", wobei die gepunk teten Linien den Feldverlauf ohne Stahlstab zeigen,

Fig. 5 einen Schnitt durch zwei konzentrische und in glei cher Ebene ineinander angeordnete Spulensysteme,

Fig. 6 zwei konzentrische und ineinander angeordnete Spu lensysteme mit ferromagnetischem Material "F" ohne magnetischen Rückschluß,

Fig. 7 eine Spulenanordnung wie in Fig. 6 mit ferromagne tischem Material "F" und magnetischem Rückschluß,

Fig. 8 eine Spulenanordnung mit zwei koaxial zueinander angeordneten und in axialer Richtung definiert ver setzten Spulen gleichen Durchmessers ohne ferroma gnetisches Material,

Fig. 9 eine koaxial versetzte Anordnung der Spulen wie in Fig. 8, jedoch mit zwei Spulen unterschiedlichen Durchmessers,

Fig. 10 eine koaxial versetzte Anordnung der Spulen wie in Fig. 8, jedoch mit ferromagnetischem Material "F",

Fig. 11 eine koaxial versetzte Anordnung der Spulen wie in Fig. 9, jedoch mit ferromagnetischem Material "F",

Fig. 12 das Gehäuse der Meßvorrichtung mit den Spulen in definiertem Abstand zur Kontaktfläche des Gehäuses,

Fig. 13 ein Blockschaltbild für eine erste Betonsonde mit einer zeitversetzten Erregung von zwei Spulen un terschiedlichen Durchmessers und

Fig. 14 ein Blockschaltbild einer demgegenüber abgewandel ten zweiten Betonsonde mit verschiedenen Frequenzen versehener Erregung der zwei Spulen.

Die in Fig. 1 bis 11 gezeigten Meßvorrichtungen 1 dienen zur zerstörungsfreien Bestimmung der Position und des Verlaufs von metallischen Suchkörpern, die in nichtmetallischem und unmagnetischem Material angeordnet sind, sowie der Dicke von nichtmetallischen und unmagnetischen Überdeckungen über die sen Suchkörpern und der geometrischen Dimensionen dieser Suchkörper.

Hierfür findet eine elektromagnetisch wirkende Meßsonde 2 mit zwei Spulen 3a und 3b Verwendung, die in dem nichtmetalli schen Gehäuse 2a der Meßsonde 2 angeordnet sind und mit ihren Feldaustrittsflächen 4a, 4b, wie in Fig. 1 bis 4 gezeigt ist, parallel und in einem definierten Abstand "G" über den rele vanten Oberflächenbereich 5 geführt werden und in Abhängig keit des resultierenden Abstandes zum metallischen Körper 6 Meßsignale liefern. Deren Signale bzw. Signalextrema sind dann ein Maß für die Position und die Dicke der Asphaltüber deckung "s" in Fig. 1 und Fig. 3 bzw. der Betonüberdeckung "s" in Fig. 2 und Fig. 4 und für die geometrischen Dimensio nen der Suchkörper 6 bzw. des Meßreflektors 8 oder der Stahl bewehrungen 10, 11, 12.

In Fig. 1 und 3 befindet sich die Meßsonde 2 beispielsweise auf einer Fahrbahndecke 7, in der ein Aluminium-Meßreflektor 8 unbekannter Lage und Breite "b" unter einer Asphaltüberdec kung "s" unbekannter Dicke angeordnet ist.

In Fig. 2 ist eine entsprechende Meßanordnung auf einer Stahlbetondecke oder -wand 9 mit einem Einzelbewehrungsstab 10 aus Stahl und zwei parallelen Doppelstäben 11, 12 gezeigt.

Bei dem zugehörigen senkrechten Schnitt von Fig. 3 ist die Meßsonde 2 auf der Oberfläche der Asphaltdeckschicht "s" so bewegt worden, daß das als Meßreflektor 8 dienende Aluminium band in den Einflußbereich der Feldlinien der Meßsonde 2 ge langt ist, die in diesem Ausführungsbeispiel entsprechend der Einzeldarstellung von Fig. 5 mit zwei in gleicher Ebene kon zentrisch angeordneten Spulen 3a, 3b unterschiedlichen Durch messers, also einer größeren äußeren Spule 3a und einer klei neren inneren Spule 3b ausgebildet ist. Die größere Spule 3a hat den mittleren oder äquivalenten Durchmesser "D₁" und die kleinere Spule 3b den mittleren oder äquivalenten Durchmesser "D₂". Die Feldaustrittsfläche 4a bzw. 4b ist die meßtechnisch wirksame Fläche "a" innerhalb des mittleren oder äquivalenten Durchmessers "D₁" bzw. "D₂" der jeweiligen Spule 3a bzw. 3b und wird nach der allgemeinen Formel

für die jeweilige Spule 3a bzw. 3b berechnet (Fig. 3 und Fig. 5).

Ohne das Aluminiumband 8 würden die Feldlinien 13a, 13b der äußeren und der inneren Spule 3a, 3b innerhalb der Fahrbahn decke 7 den in Fig. 3 in gepunkteten Linien angedeuteten Verlauf haben.

Durch das Aluminiumband 8 werden die Feldlinien 13a, 13b jedoch nach Erreichen der in Fig. 3 gezeigten Meßposition derart abgelenkt, daß sich im Bereich des Aluminiumbandes 8 ein wesentlich flacherer Feldlinienverlauf sowohl für das Magnetfeld der äußeren Spule 3a als auch für das Magnetfeld der inneren Spule 3b ergibt. Dies führt zu entsprechenden unterschiedlichen Meßsignalen, die an einer elektronischen Auswerteeinrichtung empfangen, verglichen und entsprechend ausgewertet werden. Hierdurch ist es in einem einzigen Meß vorgang möglich, sowohl die Asphaltüberdeckung "s" über dem Aluminiumband 8 als auch dessen Breite "b" genau zu bestim men.

Ein entsprechender Feldlinienverlauf ergibt sich auch bei der Bestimmung der Betonüberdeckung "s" und der Lage und Dimen sion von Stahlbewehrungsstäben 10, 11, 12 in Stahlbeton, wie dies in Fig. 2 und 4 gezeigt ist. Auch hierbei ist der Feld linienverlauf im Beton ohne Stahlbewehrung in Fig. 4 gepunk tet gezeigt, während beim Auffinden von Stahlstäben die Feld linien 13a, 13b sowohl der äußeren Spule 3a als auch der inneren Spule 3b im Stahlstab 10 bzw. 11 oder 12 horizontal abgelenkt werden und somit in diesem Bereich einen wesentlich kürzeren Verlauf haben, was an der elektronischen Auswerte einrichtung zu entsprechend unterschiedlichen Meßsignal-Ex trema führt, die miteinander verglichen und ebenfalls so ausgewertet werden, daß einmal die Betonüberdeckung "s" und zum anderen die Lage, Größe und Erstreckung des Bewehrungs stabes 10 oder auch der beiden parallelen Doppelstäbe 11, 12 von Fig. 2 einwandfrei und mit hoher Genauigkeit bestimmt werden können.

Wie in Fig. 5 bis 11 im einzelnen dargestellt ist, können die Spulen 3a, 3b der gezeigten Spulensysteme 3 unterschiedliche Größe haben und im Gehäuse 2a der Meßsonde 2 auf einer ge meinsamen Achse 14 konzentrisch zueinander oder mit gleicher oder unterschiedlicher Größe in Achsrichtung in einem defi nierten Abstand 15 koaxial gegeneinander versetzt angeordnet sein.

So zeigt Fig. 5 ein Spulensystem 3 mit zwei Spulen 3a, 3b unterschiedlichen Durchmessers, eine größere 3a und eine kleinere Spule 3b, die mit ihren Feldaustrittsflächen 4a und 4b in einer gemeinsamen Ebene konzentrisch ineinander ange ordnet sind. In Fig. 6 sind diesem Spulensystem 3 ein ring förmiger Körper 16 und ein zentraler Körper 17, der auch ringförmig ausgebildet sein kann, aus ferromagnetischem Mate rial "F" zugeordnet, die der Bündelung des elektromagneti schen Feldes und der Verstärkung der Meßsignale dienen, je doch ohne magnetischen Rückschluß.

Die Spulen 3a und 3b können kreisringförmig oder auch viel eckig ausgebildet sein. Der Durchmesser der Spulen 3a und 3b ist jedoch in der Regel größer als deren axiale Länge.

Dies gilt auch für vieleckige Spulen derart, daß der äquiva lente mittlere Durchmesser der vieleckigen Spulen 3 in der Regel größer ist als dessen axiale Länge.

Die einzelnen Spulen 3a und 3b bestehen aus je einer oder mehreren Wicklungen und können zur Bündelung der magnetischen Felder ferromagnetisches oder ferritisches Material "F" ent halten. Die Spulen 3a und 3b sind, wie in Fig. 3 und Fig. 12 gezeigt ist, in einem definierten Abstand G zur Kontaktfläche des Gehäuses 2a der Meßsonde 2 angeordnet.

Wie in Fig. 12 gezeigt ist, können in den Boden 22 des Gehäu ses 2a der Meßsonde 2 Körper 23 aus einem elektrisch nicht leitenden, unmagnetischen Material eingelassen sein, die eine verschleißfeste Kontaktfläche 24 aufweisen, wie z. B. Keramik scheiben.

Außerdem kann an der elektromagnetisch wirkenden Meßsonde 2 ein in der Zeichnung nicht gezeigter elektrischer Taster angeordnet sein, der nach Drücken den Meßstart wie auch das Ende der Messung und die Übernahme des Meßwertes in einen Datenspeicher bewirkt und somit eine Einhandbedienung ermög licht.

Die Spulen 3a und 3b von Fig. 7 entsprechen der Anordnung der Spulen 3a, 3b von Fig. 6, jedoch mit einem ferromagnetischen bzw. ferritischen Körper, der als Doppeltopfkern 18 mit einem zentralen Körper 17 für die kleinere Spule 3b und mit zwei kreisringförmigen Stegteilen 19, 20 zwischen den beiden Spu len 3a, 3b und rings um die größere Spule 3a ausgebildet ist, die durch eine ferromagnetische Platte 21 als magnetischer Rückschluß miteinander verbunden sind.

Fig. 8 bis 11 zeigen drei weitere abgewandelte Ausführungs formen der Erfindung. So besteht die Anordnung von Fig. 8 aus zwei koaxial zueinander angeordneten und in axialer Richtung in einem definierten Abstand 15 gegeneinander versetzten Spulen 3a, 3b gleichen Durchmessers ohne ferromagnetisches Material.

Fig. 9 zeigt eine entsprechende Anordnung, jedoch mit zwei Spulen 3a, 3b unterschiedlichen Durchmessers ebenfalls ohne ferromagnetisches Material.

In Fig. 10 ist demgegenüber eine Fig. 8 entsprechende Anord nung mit zwei ringförmigen Körpern 16, 16a aus ferromagneti schem Material gezeigt, während Fig. 11 wiederum eine Anord nung mit zwei Spulen 3a, 3b unterschiedlichen Durchmessers, jedoch mit einem ringförmigen Körper 16 und einem massiven zentralen Körper 17 aus ferromagnetischem Material "F" zeigt, die ebenso wie in Fig. 8 in einem definierten axialen Abstand 15 koaxial gegeneinander versetzt angeordnet sind. Der ferro magnetische Körper 17 kann auch ringförmig wie der Körper 16 ausgebildet sein.

Meßsonden 2 mit den gezeigten Anordnungen können im verschie dener Weise betrieben werden, wobei das Gehäuse 2a der Meß sonde 2 mit der Kontaktfläche 24 zum Suchen und zum Messen in Kontakt mit dem relevanten Oberflächenbereich 5 gebracht wird.

So ist es möglich, daß zur Ortung von metallischen Körpern 6 bei relativ großen nichtmetallischen und unmagnetischen Über deckungen die größere Spule einzeln betrieben und deren Meß signal bzw. Meßsignal-Extremum einzeln zur Ortung ausgewertet wird.

Zur Messung der Dicke von relativ großen nichtmetallischen Überdeckungen bei bekannter geometrischer Dimension eines eingebetteten einzelnen metallischen Körpers, der auch meß technisch weit genug vom nächsten metallischen Körper ent fernt ist, kann ebenfalls die größere Spule einzeln betrieben und deren Meßsignal-Extremum einzeln zur Dickenbestimmung ausgewertet werden.

Zur Ortung von relativ eng parallel nebeneinander verlaufen den metallischen Körpern mit geringer nichtmetallischer Über deckung kann hingegen die kleinere Spule einzeln betrieben und deren Meßsignal-Extremum einzeln zur Ortung ausgewertet werden.

Bei Messungen kleinerer nichtmetallischer und unmagnetischer Überdeckungen und bei bekannter geometrischer Dimension des metallischen Körpers, der relativ nahe und parallel zu ande ren metallischen Körpern angeordnet ist, kann ebenfalls die kleinere Spule betrieben und deren Meßsignal-Extremum einzeln zur Dickenbestimmung ausgewertet werden.

Zum Orten und zum Messen der Überdeckungen und des Quer schnittes bzw. des Durchmessers von z. B. ferromagnetischen Stahlstäben in Beton kann es hingegen zweckmäßig sein, die Spulen mit niederen Frequenzen von weniger als etwa 10 kHz zu betreiben.

Demgegenüber ist es zum Orten und zum Messen von Nichteisen- Metallen, wie z. B. bandförmige Aluminiumfolien zur Messung der Asphaltdicke, möglich, die Spulen mit hohen Frequenzen über 50 kHz zu betreiben.

Bei der ersten Betonsonde mit zeitversetzter Erregung der Spulen 3a und 3b gemäß dem Blockschaltbild von Fig. 13 ist jede der beiden Spulen 3a und 3b jeweils unabhängig von der anderen Spule 3b bzw. 3a durch einen Umschalter 25 mit zwei Kontakten gleichzeitig mit einem Wechselstromgenerator 26 und mit einem Signalverstärker 27 verbunden. Im gezeigten Bei spiel wird die größere Spule 3a erregt, und die von dem me tallischen Suchkörper 43 empfangenen Rückwirkungen werden über den zweiten Kontakt des Umschalters 25 einem Signalver stärker 27 zugeführt und über einen Analog-Digital-Wandler 28 zu einer Auswerteeinheit 29 weitergeleitet.

Bei einer Messung wird außerdem durch Betätigen des Umschal ters 25 auch die kleinere Spule 3b erregt, und zwar unabhän gig von der ersten größeren Spule 3a, um die Rückwirkungen des metallischen Suchkörpers von dieser kleineren Suchspule 3b dem Signalverstärker 27 zuzuführen und über den Analog- Digital-Wandler 28 ebenfalls in die Auswerteeinheit einzu speisen.

Erst in dieser Auswerteeinheit 29 werden die von den beiden Spulen 3a und 3b getrennt voneinander erhaltenen unterschied lichen Signale verarbeitet und in die gesuchten Größen für die Überdeckung "s" und für die geometrischen Dimensionen "g" des Suchkörpers 43 umgerechnet und zur Anzeige gebracht, und zwar mittels eines Speichers 30 mit einer Anzeigeeinheit 32 für die Überdeckung "s" und zum anderen mittels eines Spei chers 31 mit einer Anzeigeeinheit 33 zur Anzeige des Meßwer tes für die Dimension "g" des metallischen Suchkörpers 43.

Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel einer Betonsonde mit verschiedenen Frequenzen versehenen Erregung der Spulen 3a und 3b sind die beiden Spulen 3a und 3b nach dem Blockschalt bild von Fig. 14 jeweils unabhängig voneinander jeweils mit einem Wechselstromgenerator 34a für die Spule 3a und mit einem Wechselstromgenerator 34b für die Spule 3b verbunden.

Die von jeder der beiden Spulen 3a und 3b abgehenden Signale werden unabhängig voneinander einmal von der Spule 3a über einen Signalverstärker 35a einem Selektor 36a, der einen Tiefpaß oder eine Frequenzweiche darstellt, weiter über einen Analog-Digital-Wandler 37a und zum anderen von der kleineren Spule 3b über einen Signalverstärker 35b, weiter über einen Selektor 36b, der einen Hochpaß oder eine Frequenzweiche darstellt, sowie einen Analog-Digital-Wandler 37b einer ge meinsamen Auswerteeinheit 38 zugeführt und gelangen von dort über einen Speicher 39 zu einer Anzeigeeinheit 41 des Meßwer tes für die Überdeckung "s" und zum anderen über einen Spei cher 40 zu einer Anzeigeeinheit 42 des Meßwertes für die Dimension "g" des metallischen Suchkörpers 43.

Bezugszeichenliste

1

Meßvorrichtung

2

Meßsonde

2

a Gehäuse der Meßsonde

3

Spulensystem

3

a Spule

3

b Spule

4

a Feldaustrittsfläche

4

b Feldaustrittsfläche

5

Oberflächenbereich

6

metallischer Körper

7

Fahrbahndecke

8

Meßreflektor bzw. Aluminiumband

9

Stahlbetondecke oder -wand

10

Einzelbewehrungsstab

11

Doppelstab

12

Doppelstab

13

a Feldlinien

13

b Feldlinien

14

Achse

15

Abstand

16

Körper, ringförmig

16

a Körper, ringförmig

17

zentraler Körper

18

Doppeltopfkern

19

Stegteile

20

Stegteile

21

ferromagnetische Platte

22

Boden des Gehäuses

2

a

23

nichtmetallische Körper aus verschleißfestem Material

24

Kontaktfläche

25

Umschalter für die zeitversetzte Ansteuerung

26

Wechselstromgenerator

27

Signalverstärker

28

Analog-Digital-Wandler

29

Auswerteeinheit

30

Speicher des Meßwertes für die Überdeckung "s"

31

Speicher des Meßwertes für die Dimension "g"

32

Anzeige des Meßwertes für die Überdeckung "s"

33

Anzeige des Meßwertes für die Dimension "g"

34

a Wechselstromgenerator für die Spule

3

a

34

b Wechselstromgenerator für die Spule

3

b

35

a Signalverstärker für die Spule

3

a

35

b Signalverstärker für die Spule

3

b

36

a Selector des Meßsignals der Spule

3

a

36

b Selector des Meßsignals der Spule

3

b

37

a Analog-Digital-Wandler des Meßsignals der Spule

3

a

37

b Analog-Digital-Wandler des Meßsignals der Spule

3

b

38

Auswerteeinheit

39

Speicher des Meßwertes für die Überdeckung "s"

40

Speicher des Meßwertes für die Dimension "g"

41

Anzeige des Meßwertes für die Überdeckung "s"

42

Anzeige des Meßwertes für die Dimension "g"

43

metallischer Suchkörper
"b" Breite des Meßreflektors
"d" Stabdurchmesser
"g" Dimension/Größenangabe/Durchmesser des Suchkörpers/Stahlstabes
"s" Überdeckung (Asphalt oder Beton)
F ferromagnetisches Material
G Abstand
D₁

mittlerer oder äquivalenter Durchmesser der Spule

3

a
D₂

mittlerer oder äquivalenter Durchmesser der Spule

3

b

Claims

1. Verfahren zur zerstörungsfreien Bestimmung

- der Position und des Verlaufs von metallischen Suchkörpern, die in nichtmetallischem und nicht magnetischem Material angeordnet sind,
- sowie der Dicke von nichtmetallischen und nicht magnetischen Überdeckungen über diesen Suchkörpern
- und der geometrischen Dimensionen dieser Suchkörper

unter Verwendung einer elektromagnetisch wirkenden Meß sonde mit zwei Spulen, die mit ihren Feldaustrittsflä chen parallel und in einem definierten Abstand über den relevanten Oberflächenbereich geführt werden und in Abhängigkeit des Abstandes zum metallischen Suchkörper unterschiedliche Meßsignale liefern,
wobei deren Signale ein Maß für die Position und die Dicke der Überdeckung und für die geometrischen Dimensionen der Suchkörper sind,
wobei in einem Sondengehäuse zwei Spulen auf einer ge meinsamen Achse entweder konzentrisch oder in Achsrich tung gegeneinander versetzt angeordnet sind,
und wobei die Spulen bei konzentrischer Anordnung unter schiedliche Spulengröße bzw. bei axial versetzter Anord nung unterschiedliche Abstände zum metallischen Suchkör per bei gleichen oder unterschiedlichen Spulengrößen haben,
dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen zeitlich versetzt unabhängig voneinander erregt oder elektrisch entkoppelt, z. B. mit Strömen verschiede ner Frequenzen erregt und die Rückwirkungen des metalli schen Suchkörpers auf die jeweils erregte Spule für sich gemessen und jeweils unabhängig voneinander gespeichert sowie einer Auswerteeinheit zugeführt und erst in dieser Auswerteeinheit verarbeitet und in die gesuchten Größen für die Überdeckung "s" und für die geometrischen Dimen sionen "g" des Suchkörpers umgerechnet und zur Anzeige gebracht werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß bei der Verwendung von unterschiedlich großen Spulen zur Ortung von metalli schen Suchkörpern bei relativ großen nichtmetallischen und unmagnetischen Überdeckungen die größere Spule ein zeln betrieben und deren Meßsignale einzeln zur Ortung ausgewertet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß bei der Verwendung von unterschiedlich großen Spulen zur Messung der Dicke von relativ großen nichtmetallischen und unmagnetischen Überdeckungen bei bekannter geometrischer Dimension eines eingebetteten einzelnen metallischen Suchkörpers, der auch meßtechnisch weit genug vom nächsten metalli schen Suchkörper entfernt ist, die größere Spule einzeln betrieben und deren Meßsignale einzeln zur Dicken bestimmung ausgewertet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß bei der Verwendung von unterschiedlich großen Spulen zur Ortung von relativ eng parallel nebeneinander verlaufenden metallischen Such körpern mit geringer nichtmetallischer und unmagneti scher Überdeckung die kleinere Spule einzeln betrieben und deren Meßsignale einzeln zur Ortung ausgewertet werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß bei Messungen kleinerer nichtmetallischer und unmagnetischer Überdeckungen unter Verwendung von unterschiedlich großen Spulen und bei be kannter geometrischer Dimension des metallischen Such körpers, der relativ nahe und parallel zu anderen metal lischen Suchkörpern angeordnet ist, die kleinere Spule betrieben und deren Meßsignale einzeln zur Dickenbestim mung ausgewertet werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß zum Orten und zum Messen der Überdeckungen und des Querschnittes bzw. des Durch messers von z. B. ferromagnetischen Stahlstäben in Beton die Spulen mit niederen Frequenzen von weniger als etwa 10 kHz betrieben werden.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß zum Orten und zum Messen von Nichteisen-Metallen, wie z. B. bandförmige Alumini umfolien zur Messung der Asphaltdicke, die Spulen mit hohen Frequenzen über 50 kHz betrieben werden.

8. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 7 mit zwei Spulen (3a, 3b), die in einem Sondengehäuse (2a) auf einer gemein samen Achse (14) entweder konzentrisch oder in Achsrich tung versetzt angeordnet sind und bei konzentrischer Anordnung unterschiedliche Spulengröße bzw. bei axial versetzter Anordnung unterschiedliche Abstände zum me tallischen Suchkörper bei gleicher oder unterschiedli cher Spulengrößen haben, wobei die Signale der Spulen (3a, 3b) ein Maß für die Position und die Dicke der Überdeckung "s" und für die geometrischen Dimensionen "g" der Suchkörper sind, dadurch gekenn zeichnet, daß die Spulen (3a, 3b) zur Bündelung der magnetischen Felder Körper (16, 16a, 16b) aus ferro magnetischem oder ferritischem Material "F" enthalten.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch ge kennzeichnet, daß die Spulen (3a, 3b) kreis ringförmig ausgebildet sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Spulen (3a, 3b) größer ist als die axiale Länge des Spulensystems (3).

11. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch ge kennzeichnet, daß die Spulen (3) vieleckig ausgebildet sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch ge kennzeichnet, daß der äquivalente mittlere Durchmesser der vieleckigen Spulen (3a, 3b) größer ist als die axiale Länge des Spulensystems (3).

13. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch ge kennzeichnet, daß die Spulen (3a, 3b) aus je einer oder mehreren Wicklungen bestehen.

14. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch ge kennzeichnet, daß die Spulen (3a, 3b) in einem definierten Abstand (G) zur Kontaktfläche (24) des Sondengehäuses (2a) der Meßsonde (2) angeordnet ist.

15. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß in den Boden (22) des Sondengehäuses (2a) Körper (23) aus einem elektrisch nichtleitenden, unmagnetischen Material eingelassen sind, die eine verschleißfeste Kontaktfläche (24) aufweisen, z. B. Keramikfüße oder -scheiben.

16. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß an der elektromagnetisch wirkenden Meßsonde (2) ein elektrischer Taster angeordnet ist, der nach Drücken den Meßstart wie auch das Ende der Messung und die Übernahme des Meßwertes in einen Datenspeicher bewirkt und somit eine Einhandbedienung ermöglicht.