DE19856259B4

DE19856259B4 - Verfahren zur Untersuchung eines erstarrenden und/oder erhärtenden Werkstoffs mittels Ultraschalls

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Publication number: DE19856259B4
Application number: DE19856259A
Authority: DE
Inventors: H.-W. Prof.Dr. Reinhardt; Christian Dr. Große; Alexander Herb; Bernd Weiler; Günther Schmidt
Original assignee: Universitaet Stuttgart
Current assignee: Universitaet Stuttgart
Priority date: 1998-12-07
Filing date: 1998-12-07
Publication date: 2005-05-19
Anticipated expiration: 2018-12-08
Also published as: DE19856259A1; EP1141695A1; WO2000034769A1; US6655213B1; AU1856800A

Abstract

Verfahren zur Untersuchung eines erstarrenden und/oder erhärtenden Werkstoffs, wie Zement, Beton oder dergleichen, mittels Ultraschallwellen, die den erstarrenden und/oder erhärtenden Werkstoff ausgehend von einem Ultraschallgeber durchdringen, kontinuierlich gemessen und analysiert werden, mit den nachfolgenden Verfahrensschritten:
i) Während der Erstarrung und/oder Aushärtung des Werkstoffs werden die Signalformen der den Werkstoff durchdringenden Ultraschallwellen aufgezeichnet.
ii) Die zeitliche Änderung der Kompressionswellengeschwindigkeit und/oder der relativen Energie der Ultraschallwellen und/oder der Frequenzspektren der Ultraschallwellen wird über den gesamten Ablauf der Erstarrung und/oder Aushärtung des Werkstoffes aus den Ultraschall-Wellenformen extrahiert.
iii) Diese zeitliche Änderung der Kompressionswellengeschwindigkeit und/oder der relativen Energie der Ultraschallwellen und/oder der Frequenzspektren der Ultraschallwellen wird durch eine Ausgleichsfunktion, vorzugsweise die Boltzmann-Funktion, angenähert.
iv) Die freien Parameter der Ausgleichsfunktion werden Werkstoffeigenschaften zugeordnet.
v) Die freien Parameter der Ausgleichsfunktion ermöglichen den Vergleich einer aktuellen Messung mit Referenzwerten dieser Parameter, so daß Werkstoffeigenschaften des untersuchten Werkstoffes bestimmt werden können.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Untersuchung eines erstarrenden und/oder erhärtenden Werkstoffs, wie Zement, Beton oder dergleichen, mittels Ultraschallwellen, die den erstarrenden und/oder erhärtenden Werkstoff ausgehend von einem Ultraschallgeber durchdringen, kontinuierlich gemessen und analysiert werden. Die Erfindung betrifft auch ein Aufnahmegefäß zur Durchführung des Verfahrens mit einem U-förmigen Formteil aus einem hochdämpfenden Material und mit zwei starren, zur Anbringung eines Ultraschallgebers und eines Ultraschallaufnehmers vorgesehenen Gefäßwänden aus einem die Aussendung von ebenen Wellen ermöglichendem Material, wobei das Formteil und die Gefäßwände einen Aufnahmeraum für den zu untersuchenden Werkstoff begrenzen. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Ultraschallgeber zur Durchführung des Verfahrens mit Mitteln zur Erzeugung der Ultraschallimpulse durch Beschleunigung einer Kugel, um einen Impuls auf die Wand eines Aufnahmegefäßes auszuüben, der einen breiten Frequenzinhalt hat.

Ein derartiges Verfahren, ein derartiges Aufnahmegefäß und ein deartiger Ultraschallgeber sind beispielsweise durch die Publikation „Kontinuierliche Ultraschallmessungen während des Erstarrens und Aushärtens von Beton" von Chr. U. Grosse und H.-W- Reinhardt in Otto-Graf-Journal, Vol. 5, 1994 bekanntgeworden.

Ultraschallwellen können einen Werkstoff zerstörungsfrei durchlaufen und werden dabei von den elastischen Eigenschaften des Werkstoffes beeinflußt. So können Informationen über die elastischen Eigenschaften erhalten werden.

Im Falle von Beton sind dies beispielsweise sein aktueller Erstarrung- und Erhärtungszustand, seine Zusammensetzung (Sieblinie, Wasser-Zement-Wert, etc.) sowie der Luftporengehalt und eventuell verwendete Zusatzmittel.

In der industriellen Baupraxis wird z. B. die Bestimmung des Erstarrungsbeginns und -endes von Zementleim gemäß DIN EN 196 Teil 3 mittels des Vicat-Verfahrens durchgeführt. Eine derartige Messung an Beton ist aufgrund des Zuschlages nicht möglich und deshalb in o. g.

Norm nicht vorgesehen. Als Untersuchungsmethoden an Frischbeton sind bislang zum einen Konsistenzmeßverfahren wie der Ausbreitversuch und der Verdichtungsversuch nach DIN 1048 Teil 1, das Penetrometer nach ASTM C-403, sowie der Setzversuch gemäß DIN ISO 4109 festgelegt. Zum andern existieren die Luftgehaltsmessung nach DIN 1048 Teil 1 mit dem Druckausgleichsverfahren und ferner Verfahren zur Wassergehaltsbestimmung.

Die zuletzt genannten Verfahren erlauben nur einzelne Messungen zu festgelegten Zeitpunkten und geben Aufschlüsse über eine bestimmten Eigenschaft. Über die Zusammensetzung des Werkstoffes können keine detaillierteren Aussagen gemacht werden, ebenso wenig wie über die weitere Aushärtung des Werkstoffes nach seiner Erstarrung.

Ein akustisches Verfahren und eine zugehörige Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Untersuchung der Zähigkeit von Zementmilch sind in der WO 99/04254 A1 beschrieben.

Die Bestimmung der Druckfestigkeit von Beton während dessen Erhärtung mittels Ultraschall-Geschwindigkeitsmessungen ist aus der DE-OS 196 29 485 A1 bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ultraschalluntersuchungsverfahren, ein Aufnahmegefäß und einen Ultraschallgeber zu entwickeln, durch deren Verwendung in der industriellen Praxis eine zuverlässige und leicht handhabbare kontinuierliche Überwachung des Zustandes eines erstarrenden und/oder aushärtenden Werkstoffes möglich wird.

Diese Aufgabe wird folgendes Verfahren zur Untersuchung eines erstarrenden und/oder erhärtenden Werkstoffs, wie Zement, Beton oder dergleichen, mittels Ultraschallwellen, die den erstarrenden und/oder erhärtenden Werkstoff ausgehend von einem Ultraschallgeber durchdringen, kontinuierlich gemessen und analysiert werden, gelöst:

i) Während der Erstarrung und/oder Aushärtung des Werkstoffs werden die Signalformen der den Werkstoff durchdringenden Ultraschallwellen aufgezeichnet.
ii) Die zeitliche Änderung der Kompressionswellengeschwindigkeit und/oder der relativen Energie der Ultraschallwellen und/oder der Frequenzspektren der Ultraschallwellen wird über den gesamten Ablauf der Erstarrung und/oder Aushärtung des Werkstoffes aus den Ultraschall-Wellenformen extrahiert.
iii) Diese zeitliche Änderung der Kompressionswellengeschwindigkeit und/oder der relativen Energie der Ultraschallwellen und/oder der Frequenzspektren der Ultraschallwellen wird durch eine Ausgleichsfunktion, vorzugsweise die Boltzmann-Funktion, angenähert.
iv) Die freien Parameter der Ausgleichsfunktion werden Werkstoffeigenschaften zugeordnet.
v) Die freien Parameter der Ausgleichsfunktion ermöglichen den Vergleich einer aktuellen Messung mit Referenzwerten dieser Parameter, so daß Werkstoffeigenschaften des untersuchten Werkstoffes bestimmt werden können.

Zur Lösung der Aufgabe trägt auch ein Aufnahmegefäß der eingangs genannten Art bei, dessen U-förmiges Formteil mit Hilfe von an den zwei Gefäßwänden angreifenden Verbindungselementen zwischen den zwei gegenüberliegend angeordneten Gefäßwänden verpresst ist.

Zur Lösung der Aufgabe trägt weiterhin ein Ultraschallgeber der eingangs genannten Art bei, dessen Mittel zur Beschleunigung der Kugel durch ein direkt auf die Kugel wirkendes unter Druck stehendes Gas oder durch einen auf die Kugel bewegten elektrischen Hubmagneten ausgebildet sind.

Es ist eine weitgehend automatische Meßaufnahme und Analyse der Daten möglich. Darüber hinaus können schon während der Erstarrungs-/Erhärtungsphase Aussagen über den Werkstoff selbst gemacht werden.

Zur Messung wird der zu untersuchende Werkstoff in ein Aufnahmegefäß eingebracht und verdichtet. An jeweils gegenüberliegenden Seiten des Aufnahmegefäßes befinden sich ein vorzugsweise breitbandiger (d. h. hinreichend lineare Frequenzantwortfunktion über einen breiten Spektralbereich) Ultraschall-Geber und ein entsprechender Aufnehmer. Dieser wandelt das Beschleunigungssignal in ein Spannungssignal um und führt es einer rechnergesteuerten Analog-Digital-Wandlerkarte zu, die das Signal in digitaler Form abspeichert und so einer weiteren Analyse zugänglich macht.

Zur Analyse können die Geschwindigkeit der Kompressionswelle v_P(T), die relative Energie E(T) eines gemessenen Signals, sowie das Frequenzspektrum f(T) des Signals mit entsprechenden Algorithmen extrahiert werden. Die Geschwindigkeit der Kompressionswelle v_P(T), die relative Energie E(T) eines gemessenen Signals, sowie das Frequenzspektrum f(T) des Signals sind abhängig von der Zeit T seit Herstellung des Werkstoffes und bilden zusammen einen vollständigen Parametersatz, der die gesamte über elastische Wellen zugängliche Information über den Werkstoff enthält.

Die Wellengeschwindigkeit der Kompressionswellen im Werkstoff läßt sich aus dem Quotient aus Laufweg s und Laufzeit t(T) der Wellen nach v_P(T) = s/(t(T) – t₀) ermitteln. Während der Laufweg s gegeben durch die Dimensionen des Aufnahmegefäßes konstant ist, verringert sich die Laufzeit t(T) der Signale mit zunehmender Verfestigung des Werkstoffes mit der Versuchsdauer T. Von der ermittelten Laufzeit müssen bei dieser Rechnung noch konstante Anteile für die Laufzeit der Wellen durch die Gefäßwände sowie für die Zeitverzögerung bedingt durch die Meßeinrichtung abgezogen werden. Diese nicht mit dem Werkstoff in Beziehung stehende Totzeit t₀ des Systems läßt sich durch eine Kalibrierungsmessung ermitteln. Diese gelingt am einfachsten durch eine Laufzeitmessung bei direkter Aneinanderkopplung von Geber- und Aufnehmer-Gefäßwand.

Die relative Energie E(T) ist definiert als Quotient aus der Wellenenergie, die nach dem Durchgang der Welle durch den Werkstoff gemessen werden kann, und der Energie, die durch den Ultraschallimpuls in den Werkstoff eingeleitet wurde. Die Einzelenergien berechnen sich dabei aus dem Integral der Amplitudenquadrate der jeweiligen Signale. Steht die eingeleitete Energie als Meßwert nicht zur Verfügung, so kann diese bei Verwendung eines geeigneten Ultraschall-Gebers als konstant angenommen werden. Mit zunehmender Erhärtung bzw. Erstarrung des Werkstoffes nimmt die relative Energie zu. Als weitere Darstellung der Energie kann ihr Integral über der Zeit dienen.

Ist der verwendete Ultraschall-Geber in der Lage, hinreichend kurze Pulse zu generieren, so enthält die gesendete Ultraschallwelle nicht nur eine bestimmte Frequenz. Es wird ein breites, kontinuierliches Frequenzspektrum bis zu einer bestimmten Grenzfrequenz angeregt, die reziprok zur Impulsdauer ist. Je nach Erhärtungs- bzw. Erstarrungszustand ist der Werkstoff in der Lage, verschiedene Frequenzanteile unterschiedlich zu übertragen. Nach der Messung läßt sich das Spektrum der Signale durch eine Fouriertransformation berechnen. Werden diese Einzelspektren auf ihr Maximum normiert, chronologisch aneinandergereiht und die spektralen Amplituden als Grauwerte graphisch dargestellt, enthält man sogenannte Kontour-Plots. Aus dieser dreidimensionalen Darstellung lassen sich z. B. durch Berechnung von mittleren Frequenzmaxima pro Einzelmessung Frequenz-Zeit-Kurven oder Frequenz-Zeit-Flächen berechnen. Anhand solcher Darstellungen können die spektralen Übertragungseigenschaften des Werkstoffes als Funktion der Zeit verfolgt werden. Aus der Korrelation mit früheren Messungen bzw. mit vorhandenen Referenzkurven für Geschwindigkeit und Energie lassen sich beispielsweise Erkenntnisse über die Zusammensetzung des Werkstoffes gewinnen.

Im Hinblick auf den Einsatz der Ultraschalltechnik im Rahmen der Qualitätssicherung werden die gemessenen Kurvenverläufe näher untersucht. Dies erfolgt mit dem Ziel, die zeitliche Veränderung der gemessenen Größen (Geschwindigkeit, Energie, Frequenz) in Abhängigkeit von der Werkstoffzusammensetzung und -beschaffenheit modellhaft zu beschreiben. Es handelt sich hierbei also um die Lösung eines Inversionsproblems bei unbekannten Werkstoffeigenschaften. Das erfindungsgemäße Verfahren erleichtert nach der Anpassung an die jeweilige Aufgabenstellung die Klassifizierung des Werkstoffs im Rahmen der Qualitätssicherung.

Für die Lösung dieser Aufgabe müssen Funktionen mit hinreichend vielen freien Parametern verwendet werden, mit deren Hilfe die für die Veränderung der Meßgrößen v_P, E und f typischen Kurvenverläufe interpretiert werden können. Beispielsweise für die Geschwindigkeit eignet sich dazu besonders die aus der Thermodynamik bekannte

Sie enthält die vier freien Parameter A1, A2, x0 und dx, deren Werte zur Anpassung der Ausgleichsfunktion an die Meßkurven verwendet werden können. Die Qualität der beispielsweise für die Geschwindigkeit berechneten Inversionskurven ist für die praktische Anwendung des Verfahrens mehr als ausreichend. Für eine detaillierte Klassifizierung der Werkstoffe können alle vier freien Parameter herangezogen werden. Beispielsweise kann der Parameter A2 bei der Untersuchung von Frischbeton dem Wasser/Zement-Wert W/Z zugeordnet werden.

Bei einer Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Ankunftszeit des Ultraschallsignals am Aufnehmer bestimmt, die dann auf die Laufzeit führt. Zur Ermittlung dieses sogenannten Ersteinsatzes wurde ein Algorithmus entwickelt, der auf der partiellen Energie und der Verwendung des Hinkley-Kriteriums basiert. Dies erlaubt einen robusten und sehr einfachen Ansatz zur Ersteinsatzdetektion. Die Summe der partiellen Energie S_i eines einzelnen digitalisierten Wellensignals läßt sich wie folgt darstellen als Summe der Amplitudenquadrate x_k ²

Dabei entspricht der Samplepunkt i einer bestimmten Zeit während des Signals. Die Ankunft des Signals drückt sich dabei in einem signifikanten Anstieg dieser Energiesumme aus. Für den Algorithmus bedeutet dies, daß das Minimum der Summenkurve aus partieller Energie abzüglich eines entsprechend des Signalrauschens geschickt gewählten negativen Trends d automatisch erkannt werden muß:

Der Trend kann beispielsweise wie folgt dargestellt werden:

S_N ist die Energie beim letzten Samplepunkt N. Für den variablen α-Wert wurde eine automatische Iterationsroutine zur Anpassung an die Signalqualität implementiert.

Obwohl die Erfindung anhand der Aushärtung von Beton beschrieben wird, ist das erfindungsgemäße Verfahren oder dessen Teile nicht auf die Untersuchung von Beton beschränkt, sondern auch für andere Werkstoffe, Verbundwerkstoffe, Kunststoffe usw. verwendbar. Die Figuren zeigen:
1 eine Prinzipskizze der Versuchsanordnung zur Durchführung der Untersuchung eines Werkstoffes mittels Ultraschall;
2 einen Längsschnitt durch einen Ultraschallgeber zur Durchführung des Verfahrens nach 1;
3 einen Längsschnitt durch einen anderen Ultraschallgeber zur Durchführung des Verfahrens nach 1;
4 eine Darstellung eines Aufnahmegefäßes zu Durchführung des Verfahrens nach 1;
5 eine Darstellung des gemessenen Verlaufs eines Ultraschallsignals bei der Durchführung des Verfahrens nach 1, sowie der Summe der partiellen Energie des Signals mit 3 unterschiedlichen Werfen für den Trend;
6 eine Darstellung des gemessenen Verlaufs der zeitlichen Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Ultraschallwellen bei Durchführung des Verfahrens nach 1 an Mörtel mit verschiedenen Zusatzstoffen;
7 eine Darstellung des gemessenen Verlaufs der zeitlichen Änderung der Energie von Ultraschallwellen bei Durchführung des Verfahrens nach 1 an Mörtel mit verschiedenen Zusatzstoffen;
8 eine Darstellung des gemessenen Verlaufs der zeitlichen Änderung des Energieintegrals von Ultraschallwellen bei Durchführung des Verfahrens nach 1 an Mörtel mit verschiedenen Zusatzstoffen;
9 einen Kontourplot zur Darstellung des gemessenen Verlaufs der zeitlichen Änderung der Frequenzspektren bei Durchführung des Verfahrens nach 1 an Beton sowie eine daraus abgeleitete Frequenz-Zeit-Kurve;
10 eine Parameterstudie zur Anpassung einer Ausgleichsfunktion an den Verlauf der zeitlichen Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Ultraschallwellen bei Durchführung des Verfahrens nach 1.
Das Prinzip der Messung ist in 1 schematisch dargestellt. In einem Aufnahmegefäß 1 befindet sich ein zu untersuchender Werkstoff 2. Ein Ultraschallgeber bzw. Impaktor 3 sendet einen Ultraschallimpuls über die Wand des Aufnahmegefäßes 1 in den zu untersuchenden Werkstoff 2. Gleichzeitig triggert er die A-D-Wandlerkarte A, die die Messung startet. Nach einer bestimmten Laufzeit kommen die Ultraschallwellen am Ultraschallaufnehmer 4 an. Der Ultraschallaufnehmer 4 wandelt das Beschleunigungssignal in die Spannungswerte, die dann von der A/D-Wandlereinheit B digitalisiert und abgespeichert werden. Vor der A/D-Wandlereinheit B ist ein Vorverstärker C vorgesehen. Die A/D-Wandlereinheiten A und B sind mit einer Auswerte- und Steuereinrichtung D verbunden. Die zeitliche Änderung von Ausbreitungsgeschwindigkeit, Energie und Frequenz der Ultraschallwellen liefert Informationen über die Werkstoffeigenschaften. Der zur Kontrolle vorgesehene Ultraschallsensor 5 wird nur benötigt, falls als Anregung ein Impaktor verwendet wird.
Der Ultraschallgeber 3a der 2 besteht aus einem nicht magnetischen Rohr 6, in dessen dem Aufnahmegefäß abgewandten Rohrende 7 mittels Permanentmagneten eine Kugel 8 aus ferritischem Stahl gehalten ist. An diesem Rohrende 7 befindet sich ein elektrisch betätigtes Magnetventil 9, durch das ein Druckgasstoß auf die Kugel 8 ausgeübt werden kann. Durch diesen Druckgasstoß löst sich die Kugel 8 vom Permanentmagneten, wird durch das sich ausbreitende Gas in Richtung des dem Aufnahmegefäß zugewandten Rohrendes 10 beschleunigt und trifft auf die Gehäusewand des Aufnahmegefäßes, so daß sich ein kurzer, breitbandiger Ultraschallimpuls ausbreitet. Beim Aufprall verliert die Kugel 8 nur einen Teil ihrer Energie und kann mit dem Restimpuls in ihre Ausgangslage zurückkehren, in der sie wieder vom Permanentmagneten gehalten wird. Bohrungen 11 verhindern, daß die Luftsäule vor der Kugel 8 komprimiert wird, und die beschleunigte Kugel 8 dadurch abgebremst wird. Zur Bestimmung der Geschwindigkeit der Kugel 8 befindet sich eine Lichtschranke kurz vor der Öffnung des Stahlrohres 6, über die die Kugel 8 auf die Gehäusewand auftrifft. Eine Sicherungseinrichtung, die auf das Magnetventil wirkt, verhindert ein unbeabsichtigtes Auslösen des Druckgasstoßes. Ein Schauglas erlaubt die Überwachung der Position der Kugel 8 in der Ausgangslage. Als Druckgas kommt bevorzugt CO₂ zur Anwendung, indem eine Gasflasche an das Magnetventil 9 angeschlossen werden kann. Mittels einer Einrichtung zur Druckeinstellung kann der Gasdruck kontrolliert und verändert werden. Die Impulsenergie kann entweder auf diese Weise, oder durch Veränderung der Ventilöffnungszeit variiert werden. Vom Steuergerät aus kann über das Magnetventil entweder ein Einzeldruckgasstoß, ein verzögerter Druckgasstoß oder ein Mehrfachdruckgasstoß gewählt werden. Das Auslösesignal für den Druckgasstoß kann manuell oder über TTL-Triggersignale gegeben werden. Die Delay-Zeit für den verzögerten Druckgasstoß bzw. den Zeitabstand zwischen zwei Druckgasstößen kann zwischen 1 s und mehreren Minuten eingestellt werden.
3 zeigt einen Ultraschallgeber 3b, der einen Hubmagneten mit einem Spulenkörper 12 und einem verschieblichen Anker 13 umfaßt. Auf der Ankerspitze 14 ist eine Kalotte 15 fixiert. Ein Spannungsimpuls eines Steuergerätes bestromt den Spulenkörper 12, so daß der Anker 13 aus seiner Ruhelage heraus beschleunigt wird. Unmittelbar bevor der Anker 13 seine maximale Auslenkung erreicht, trifft die Kalotte 15 auf die von einem Befestigungsmittel (Überwurfmutter) gehaltene Kugel 16, die den Stoß als Ultraschallimpuls auf das Aufnahmegefäß überträgt. Eine Rückholfeder 18 führt den Anker 13 in seine Ruhelage zurück, wo er bis zum nächsten Spannungsimpuls auf einem dämpfenden Sitzplättchen 19 verharrt. Die Kugel 16 kann mittels des lösbar befestigten Befestigungsmittels 17 ausgetauscht werden, um die Kontaktzeit beim Stoß und somit die Impulsbreite (Frequenzbreite) zu variieren. Ein Übergangsstück 20 ist aus elektrisch isolierendem Material gefertigt. Die Kalotte 15 ist mit dem Anker elektrisch leitend verbunden. Eine zwischen der Kugel 16 und dem Anker 13 liegende Spannung wird für die Dauer der Kontaktzeit des Stoßes kurzgeschlossen. Hierdurch wird ein Triggerimpuls für externe Geräte erzeugt, dessen Länge der Kontaktzeit entspricht. Zur Erzielung unterschiedlicher Impulsstärken bzw. Energien kann die Länge des Spannungsimpulses am Steuergerät verändert werden. Es können zu diesem Zweck Hubmagnete unterschiedlicher Leistung zum Einsatz kommen.
Das Aufnahmegefäß 21 gemäß 4 besitzt 2 Gefäßwände 22, 23 aus einem starren, transparenten Material, zwischen denen ein U-förmiges Formteil 24 aus elastischem Material (beispielsweise Gummi) angeordnet ist. Die starren Gefäßwände 22, 23 sind über Verbindungselemente 25 miteinander verbunden und fixieren so das elastische Formteil zwischen sich. Ein Ultraschallgeber 3 ist an der Gefäßwand 23 einem Ultraschallaufnehmer 4 gegenüberliegend angebracht, der an der Gefäßwand 22 befestigt ist. Das Aufnahmegefäß 21 kann einen aushärtenden und/oder erstarrenden Werkstoff aufnehmen, um diesen in situ während des Aushärtens mittels Ultraschall untersuchen zu können. Das Aufnahmegefäß stellt über die Gefäßwände 22, 23 auch den Kontakt zwischen dem Werkstoff und Ultraschallgeber 3 und -aufnehmer 4 her. Das Gefäß 21 beeinflußt die Untersuchung des Werkstoffs kaum, da es schlechtere akustische Eigenschaften als dieser aufweist. Die Dämpfung der Ultraschallwellen in den Gefäßwänden 22, 23 und im Formteil 24 ist größer als in dem zu untersuchenden Werkstoff. Das Gefäß ist aus wenigen, leicht handhabbaren und reinigbaren Teilen aufgebaut. Darüber hinaus ist es wiederverwendbar. Die Gefäßwände 22, 23 bedingen durch ihre starre Form die Abstrahlung annähernd ebener Wellen, so daß Nahfeldeffekte entfallen. Damit werden zum einen kleinere Gefäßgeometrien möglich (bei Punktquellen und der Ausbreitung von Kugelwellen wären Messungen mit Laufwegen problematisch, die kleiner als die doppelte Wellenlänge sind). Zum andern erhöht sich die Meßgenauigkeit, da Abweichungen in der zentrierten Anordnung von Ultraschallgeber 3 und -aufnehmer 4 die Untersuchungen nur unwesentlich beeinflussen können. Das Formteil 24 koppelt die Gefäßwände 22, 23 akustisch voneinander ab und erfüllt die Funktion einer Abdichtung. Die Verbindungselemente 25, von denen nur eines mit einer Bezugsziffer bezeichnet ist, verbinden akustisch nicht koppelnd in elastischer und lösbarer Weise die freien Enden der Gefäßwände. Die Gefäßwände 22, 23 werden an das Formteil 24 angepreßt. Zusätzlich kann ein nicht eingezeichneter Gummideckel die Verdunstung von Wasser und eine dadurch bedingte Verfälschung der Messung verhindern.
5 zeigt das Prinzip der automatischen Detektion der Ersteinsatzzeit für die Bestimmung der Kompressionswellengeschwindigkeit. Beispielhaft ist die gemessene Wellenform eines Ultraschallsignals dargestellt. Auf der selben Zeitachse ist die Summe der partiellen Energie des Signals mit 3 unterschiedlichen Werten für den Trend 6 eingezeichnet. Daraus läßt sich ableiten, daß für die Bestimmung des Minimums der Energie, entsprechend der Ankunftszeit der Wellen, ein α von 5 am geeignetsten ist. Für α = 15 wird der Ersteinsatz zu früh, für α = 1 zu spät ausgewählt. Diese Optimierung leistet der verwendete Algorithmus.
Exemplarisch wird in den folgenden Figuren gezeigt, wie die Änderung der Geschwindigkeit der Kompressionswelle v_P(T), der relativen Energie E(T) eines gemessenen Ultraschallsignals, sowie des Frequenzspektrums f(T) des Ultraschallsignals als Funktion der Zeit dargestellt werden kann. In 6 ist die Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallwellen am Beispiel eines Mörtels ohne, und mit drei verschiedenen Zusatzstoffen dargestellt. Die Änderung der Energie ist in analoger Weise in 7 über der Zeit aufgetragen. Erkennbar ist in beiden Figuren der Anstieg von Geschwindigkeit bzw. Energie zu unterschiedlichen Zeiten, entsprechend der unterschiedlichen Natur der Zusatzmittel. Ebenso variiert die Größe des Anstiegs sowie der Zeitpunkt, an dem ein gewisser Endwert von Geschwindigkeit bzw. Energie erreicht wird. Eine Variante dazu ist das in 8 dargestellte Integral der Energie, bei dem die Steigung der Kurven gravierende Unterschiede zeigen. Die Änderung der Frequenzspektren ist in 9 anhand einer Messung an einem Beton gezeigt. Zu erkennen sind hohe tieffrequente Anteile in den Spektren am Anfang der Messung, und eine zunehmende Verbreiterung des Frequenzbandes im weiteren Verlauf. Bei der Verwendung von breitbandigen Ultraschallsensoren erhält man für unterschiedliche Werkstoffe bzw. Werkstoffe mit variierenden elastischen Eigenschaften charakteristische Frequenz-Amplituden-Darstellungen über der Zeit. Daraus können einfacher zu analysierende Kurven abgeleitet werden. Bestimmt man z. B. rechnerisch die Frequenzmaxima im Bereich 0–20 kHz, so ergibt sich die untere der in 9 dargestellten gestrichelten Kurven, die für dieses Material typisch ist. Eine solche Kurve läßt sich auch für weitere Frequenzbereiche (z. B. 20–60 kHz) bestimmen (obere Kurve); die Fläche zwischen den Kurven beschreibt dann charakteristische Materialparamter.
10 zeigt eine Parameterstudie zur Anpassung der als Ausgleichsfunktion gewählten Boltzmann-Funktion an den Verlauf der zeitlichen Änderung der Wellengeschwindigkeit. Für diese Darstellung wurde eine Messung mit dem beschriebenen Verfahren am Werkstoff Beton gewählt. Entsprechend ihrer mathematischen Formulierung
werden die vier freien Parameter A₁, A₂, x0 und dx variiert. Die freien Parameter werden durch eine bestmögliche Anpassung der Ausgleichsfunktion an die zeitliche Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit bestimmt. Aus Referenzmessungen sind Referenzwerte der freien Parameter bekannt, die bestimmten Werkstoffeigenschaften, wie Festigkeit, Härte, Korngröße oder dergleichen, entsprechen. Bei einer durchzuführenden Untersuchung eines Werkstoffs werden aktuelle Werte der freien Parameter ermittelt und mit den Referenzwerten verglichen, so daß Aussagen über Werkstoffeigenschaften des untersuchten Werkstoffs gewonnen werden.

Claims

Verfahren zur Untersuchung eines erstarrenden und/oder erhärtenden Werkstoffs, wie Zement, Beton oder dergleichen, mittels Ultraschallwellen, die den erstarrenden und/oder erhärtenden Werkstoff ausgehend von einem Ultraschallgeber durchdringen, kontinuierlich gemessen und analysiert werden, mit den nachfolgenden Verfahrensschritten: i) Während der Erstarrung und/oder Aushärtung des Werkstoffs werden die Signalformen der den Werkstoff durchdringenden Ultraschallwellen aufgezeichnet. ii) Die zeitliche Änderung der Kompressionswellengeschwindigkeit und/oder der relativen Energie der Ultraschallwellen und/oder der Frequenzspektren der Ultraschallwellen wird über den gesamten Ablauf der Erstarrung und/oder Aushärtung des Werkstoffes aus den Ultraschall-Wellenformen extrahiert. iii) Diese zeitliche Änderung der Kompressionswellengeschwindigkeit und/oder der relativen Energie der Ultraschallwellen und/oder der Frequenzspektren der Ultraschallwellen wird durch eine Ausgleichsfunktion, vorzugsweise die Boltzmann-Funktion, angenähert. iv) Die freien Parameter der Ausgleichsfunktion werden Werkstoffeigenschaften zugeordnet. v) Die freien Parameter der Ausgleichsfunktion ermöglichen den Vergleich einer aktuellen Messung mit Referenzwerten dieser Parameter, so daß Werkstoffeigenschaften des untersuchten Werkstoffes bestimmt werden können.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankunftszeit einer Ultraschallwelle (Ersteinsatz) automatisch mit einem Algorithmus bestimmt wird, der auf der Summe der partiellen Energien des digitalisierten empfangenen Signals basiert, wobei der Energieverlauf S_i des digitalisierten Signals durch die Summe der Amplitudenquadrate x_k ² bestimmt wird:
wobei x_k für den k-ten Samplepunkt des digitalisierten Signals steht und das Minimum des Energieverlaufs S_i' bestimmt wird, der sich aus einer Korrektur von S_i mit einem Trend δ ergibt:
wobei S_N die Energie beim letzten Samplepunkt i = N ist und α iterativ durch einen Vergleich des korrigierten Energieverlaufs S_i' mit der gemessenen Wellenform eines empfangenen Ultraschallsignals bestimmt wird, und die Ankunftszeit der Ultraschallwelle (Ersteinsatz) dem Minimum des korrigierten Energieverlaufs S_i' zugeordnet wird.
Aufnahmegefäß zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 mit einem U-förmigen Formteil (24) aus einem hochdämpfenden Material und mit zwei starren, zur Anbringung eines Ultraschallgebers (3) und eines Ultraschallaufnehmers (4) vorgesehenen Gefäßwänden (22, 23) aus einem die Aussendung von ebenen Wellen ermöglichendem Material, wobei das Formteil (24) und die Gefäßwände (22, 23) einen Aufnahmeraum für den zu untersuchenden Werkstoff begrenzen, dadurch gekennzeichnet, daß das U-förmige Formteil (24) mit Hilfe von an den zwei Gefäßwänden (22, 23) angreifenden Verbindungselementen (25) zwischen den zwei gegenüberliegend angeordneten Gefäßwänden (22, 23) verpresst ist.
Ultraschallgeber zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, mit Mitteln zur Erzeugung der Ultraschallimpulse durch Beschleunigung einer Kugel (8), um einen Impuls auf die Wand eines Aufnahmegefäßes auszuüben, der einen breiten Frequenzinhalt hat, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Beschleunigung der Kugel (8) durch ein direkt auf die Kugel (8) wirkendes unter Druck stehendes Gas oder durch einen auf die Kugel (8) bewegten elektrischen Hubmagneten ausgebildet sind.