DE4040101A1 - Materialfeuchte-messverfahren, verwendung und messeinrichtung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur zerstörungs­ freien und berührungslosen Bestimmung des Feuchtegehaltes in zur Aufnahme von Feuchtigkeit fähigen Körpern, insbesondere Festkörpern.

Zur zerstörungsfreien und berührungslosen Materialfeuchtemessung, bei welcher eine Strahlung zur Ermittlung der Feuchtemeßwerte benutzt wird, ist eine Reihe von Verfahren bekannt. Insbesondere ist die Feuchtemessung mittels Infrarot-Reflexion bekannt ("Industrielle Feuchtigkeitsmeßtechnik: unter Berücksichtigung höherer Temperaturen"/Herbert Fischer, Kurt Heber, Expert-Verlag 1990, 172-177). Dieses Verfahren beruht darauf, daß sich bei bestimmten Wellenlängen die emittierte Lichtmenge in Abhängig­ keit von dem Wassergehalt eines Stoffes ändert. Diesen Zusammen­ hang kann man der Spektralkurve eines Stoffes entnehmen. Daß bei einer Zunahme der Feuchte die reflektierte Lichtmenge ab­ nimmt bzw. die Absorption zunimmt, erklärt sich durch Resonan­ zen der Molekularschwingungen. Man nennt diese Absenkung der Spektralkurve eine Wasserbande. Aus praktischen Erwägungen wird vielfach noch Licht einer weiteren Wellenlänge, die der Wasser­ bande benachbart ist, zur Messung benutzt. Diese zweite Wellen­ länge wird "Vergleichswellenlänge" genannt und das Meßverfahren dann sinngemäß "Wechsellichtmethode". Da jedes zu messende Material eine andere Spektralkurve besitzt, ändert sich damit auch die Grundeinstellung des Feuchtemeßgeräts, so daß für jedes Material eine separate Eichung durchgeführt werden muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Materialfeuchte- Meßverfahren anzugeben, bei welchem die Berücksichtigung der individuellen Spektralkurve des auszumessenden Materials nicht erforderlich ist, so daß sich die Eichung einfacher gestaltet.

Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs genannten Art mit den im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale dadurch gelöst,

• - daß ein von einer ersten Quelle für elektromagnetische Strah­ lung bekannter Leistung ausgehender Aufheizstrahl auf einen Meßfleck an der Probenoberfläche des zu untersuchenden Fest­ körpers während einer vorgegebenen Zeitspanne gerichtet und dabei ein definiertes Wärmeenergiequantum vom Festkörper ab­ sorbiert wird, so daß sich erwärmungsbedingt in der an den Meßfleckbereich angrenzenden Atmosphäre eine Dampfblase ausbildet und
• - daß mit einem von einer zweiten Quelle für elektromagnetische Strahlung bekannter Leistung ausgehenden Meßstrahl, der wenig­ stens auf einer Teillänge angenähert parallel zur Probenober­ fläche geführt wird, die Dampfblase durchstrahlt und der aus der Dampfblase austretende Meßstrahl auf einen Sensor geworfen wird, wobei die mit dem Sensor gemessene Restintensität des beim Durchdringen der Dampfblase geschwächten Meßstrahls ein Maß für die Dampfdichte und damit für den Feuchtegehalt des untersuchten Körpers ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sind in den Ansprü­ chen 2 bis 5 angegeben. Danach ist der Aufheizstrahl insbeson­ dere ein Laserstrahl, dessen Wellenlänge im Infrarotbereich liegt. Ein solcher Infrarot-Laserstrahl läßt sich sehr gut auf den Meßfleck fokussieren und hinsichtlich seiner Einwirkungs­ dauer und Amplitude einstellen. Grundsätzlich sind auch andere Lichtquellen, z. B. Halogenleuchten, als Strahlungsquelle für den Aufheizstrahl geeignet, wenn sich der Strahl derart bündeln bzw. fokussieren läßt, daß die erforderliche Energiedichte pro Flächeneinheit erhalten wird. Ein Infrarotlaser ist für diese Zwecke indessen besonders vorteilhaft. Wegen seiner hohen Energiedichte und Fokussierbarkeit sowie der günstigen Einstellmöglichkeit für die Pulslänge ist auch der Meßstrahl bevorzugt ein Laserstrahl. Damit nicht durch Reflexions- und Streustrahlung eine Vermischung der Aufheizstrahlung mit der Meßstrahlung das Ergebnis beeinflussen kann, ist es besonders günstig, wenn die Wellenlänge des Meßstrahls in einem anderen Wellenlängenbereich liegt als diejenige des Aufheizstrahls. Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, die Wellenlänge des Meßstrahls in den sichtbaren Bereich zu legen. Die physikalischen Vorgänge, die sich bei der Ausführung des Verfahrens abspielen, lassen sich vereinfacht wie folgt schildern: Aufgrund der Erwärmung des Meßflecks durch den Aufheizstrahl bildet sich über der Stelle der Lichtabsorption eine Dampfblase aus, deren Dichte in Abhängigkeit von der eingestrahlten Lichtleistung eine Aussage über den Feuchtigkeitsgehalt der Probe zuläßt. Wird der Meß­ strahl durch die Dampfblase hindurchgeschickt, insbesondere in die Dampfblase hinein fokussiert, und auf diese Weise die Dampf­ blase durchleuchtet, so wirken die sich im Dampfraum befindenden Wassermoleküle als Streuzentren, die das einfallende Licht, insbesondere Laserlicht, diffus in verschiedene Richtungen streuen. Die gestreute Strahlung geht der Primärstrahlung verloren, d. h. letztere wird in ihrer Intensität geschwächt. Die aus der Dampfblase austretende Strahlung wird mittels geeigneter fokus­ sierender Mittel auf einen Sensor geworfen, insbesondere einen Photodetektor, welcher das empfangene Lichtsignal in ein analoges elektrisches Signal umwandelt und von dem das elektri­ sche Signal einer Auswerteeinheit zugeführt wird, welche also die Lichtintensitätsänderung registriert und insbesondere sicht­ bar macht.

Gegenstand der Erfindung ist auch eine Verwendung des Verfahrens zur Bestimmung des Feuchtegehaltes in Gestein oder gesteins­ ähnlichen Strukturen, insbesondere in Mauerwerk oder Beton­ strukturen von Wänden oder Decken, gemäß Anspruch 6. Weiterhin dient eine bevorzugte Verwendung des Verfahrens der Bestimmung des Feuchtegehaltes von Holzstrukturen gemäß Anspruch 7. Über diese bevorzugten Anwendungen hinaus ist das Verfahren nach der Erfindung grundsätzlich auch zur Ausmessung des Feuchtegehaltes von pulverisierten oder körnigen Strukturen geeignet, d. h. in den Anwendungsbereichen, welche auf den Seiten 176 und 177 des eingangs zitierten Dokumentes erwähnt sind, also in Bereichen der Lebensmittel-, Baustoff-, chemischen sowie der Papier-, Zellstoff- und Textil-Industrie.

Gegenstand der Erfindung ist ferner eine vorteilhafte Meßeinrich­ tung zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens nach der Erfindung, welche gekennzeichnet ist durch einen mobilen, bezüglich des zu untersuchenden Körper positionierbaren Trag­ körper,

• - mit einer an diesen befestigten ersten Strahlungsquelle, deren Aufheizstrahl längs eines ersten Strahlenweges auf die Proben­ oberfläche des zu untersuchenden Körpers zu dessen lokaler Erwärmung und zur Erzeugung einer Dampfblase werfbar ist,
• - mit einer zweiten, am Tragkörper befestigten Strahlungsquelle, deren Meßstrahl zur Durchstrahlung der Dampfblase längs eines zweiten Strahlenwegs wenigstens auf einem Teil seiner Länge und zumindest angenähert parallel zur Probenoberfläche leitbar ist,
• - und mit einem am Ende des zweiten Strahlenwegs am Tragkörper befestigten Sensor, auf welchen der die Dampfblase durchstrah­ lende Meßstrahl fokussierbar ist.

Insbesondere ist der Tragkörper als ein portabler Meßkopf ausgebildet,

• - mit einem Gehäuse und einer Meßöffnung in einer Wand des Gehäuses,
• - mit der ersten Strahlungsquelle im Gehäuse, deren Aufheizstrahl durch die Meßöffnung längs des ersten Strahlenwegs auf die Pro­ benoberfläche des zu untersuchenden Körpers werfbar ist, so daß die sich bildende Dampfblase durch die Meßöffnung hindurch in das Gehäuse eindringt,
• - mit der zweiten Strahlungsquelle im Gehäuse, deren Meßstrahl durch die Dampfblase hindurch leitbar ist,
• - und mit einem am Ende des zweiten Strahlenwegs im Gehäuse ange­ ordneten Sensor, auf welchen der die Dampfblase durchstrahlende Meßstrahl fokussierbar ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Meßeinrichtung nach der Erfindung in ihrer Gestalt als Tragkörper oder portabler Meß­ kopf sind in den Ansprüchen 10 bis 21 angegeben.

Deren Gegenstände sowie weitere Merkmale und Vorteile wie auch die Wirkungsweise des Erfindungsgegenstandes werden im folgenden anhand der Zeichnung erläutert, in welcher mehrere Ausführungs­ beispiele für das Verfahren und die Meßeinrichtung nach der Erfindung dargestellt sind. Darin zeigen in teils vereinfachter, schematischer Darstellungsweise:

Fig. 1 eine erste Ausführung einer Meßeinrichtung zur Material­ feuchtemessung in einer Draufsicht;

Fig. 2 im Detail die Führung des Meßstrahls von der zweiten Strahlungsquelle durch die Dampfblase zum Sensor in einer ersten Ausgestaltung in Aufsicht;

Fig. 3 die Führung des Meßstrahls von der zweiten Strahlungs­ quelle durch die Dampfblase zum Sensor in einer zweiten Ausgestaltung mit Fokussierung des Meßstrahls im Bereich der Dampfblase, in Aufsicht;

Fig. 4 die Meßeinrichtung in einer zweiten Ausführung, ausge­ bildet als portabler Meßkopf mit Lichtwellenleitern zur Führung des ersten und zweiten Meßstrahls. Gezeigt ist das Gehäuseinnere des portablen Meßkopfes, der mit einem einstellbaren Abstand zum Meßfleck einer Proben­ oberfläche positionierbar ist;

Fig. 5 in entsprechender Darstellungsweise zu Fig. 4 eine zweite Ausführung eines portablen Meßkopfes, wobei jedoch die Laser für den ersten und zweiten Meßstrahl im Gehäuse untergebracht, und

Fig. 6 ein Diagramm, in welchem die mittels einer Photodiode gemessene Signalspannung U_S in mV (Ordinatenachse) a über der Zeitachse t mit vier verschiedenen Feuchte­ gehalten als Parameter aufgetragen ist.

Mit der in Fig. 1 dargestellten Meßeinrichtung ME1 läßt sich das Verfahren nach der Erfindung verwirklichen. Diese weist in einer sehr einfachen, labormäßigen Ausführung einen mobilen, bezüglich des zu untersuchenden Körpers 1 positionierbaren Tragkörper 2 auf. Bei diesem Tragkörper 2 kann es sich um eine Tragplatte handeln oder um einen Meßwagen oder um die Grund­ platte eines Gehäuses, dessen Deckel abgenommen ist. Der zu untersuchende Körper 1 ist z. B. eine Gesteinsprobe bestimmten Feuchtegehaltes, welcher in eine Halterung 3 eingefügt und in dieser fixiert ist. Am Tragkörper 2 ist eine erste Strahlungs­ quelle L1 in Gestalt eines Infrarot-Lasers befestigt, deren Aufheizstrahl S1 längs eines ersten Strahlwegs w1 auf die Probenoberfläche 1a des zu untersuchenden Körpers 1 zu dessen lokaler Erwärmung und zur Erzeugung einer Dampfblase, welche schematisch bei D angedeutet ist, werfbar ist. Der Infrarot­ laser L1 strahlt z. B. im Wellenbereich von 700-893 nm ab und kann ein Diodenlaser sein; seine Leistung kann z. B. bei 1 bis 3 W liegen. Der Abstand b2 von einer den Aufheizstrahl auf den Meßfleck 8 fokussierenden Optik S1, insbesondere einer Sammel­ linse, ist justierbar. Dies kann z. B. durch Scharfeinstellung des von einer kleinen Videokamera aufgenommenen Bildes, das auf einem Monitor sichtbar gemacht wird, geschehen (in Fig. 1 nicht dargestellt). Am Tragkörper 2 ist weiterhin eine zweite Strahlungsquelle in Gestalt eines vorzugsweise im sichtbaren Bereich abstrahlenden Lasers L2 befestigt, deren Meßstrahl S2 zur Durchstrahlung der Dampfblase D längs eines zweiten Strah­ lenweges w2 leitbar ist. Wichtig ist, daß die Teillänge des Meßstrahls S2, welche die Dampfblase D durchdringt, angenähert parallel zur Probenoberfläche verläuft; die übrigen Abschnitte des Meßstrahls S2 müssen nicht notwendigerweise diesen Verlauf haben, denn die Strahlführung kann über Umlenkspiegel vorge­ nommen werden, wie es weiter unten noch erläutert wird. Erste fokussierende Mittel in Form einer Sammellinse F1 dienen zur Fokussierung des Aufheizstrahls S1 auf die Probenoberfläche 1a, zweite fokussierende Mittel in Gestalt einer weiteren Sammel­ linse F2 dienen zur Fokussierung des Meßstrahls S2 in die Dampfblase D und dritte fokussierende Mittel in Gestalt einer weiteren Sammellinse F3 dienen zur Fokussierung des die Dampf­ blase D verlassenden Meßstrahls S2 auf einen Sensor 4, der am Ende des zweiten Strahlenwegs w2 am Tragkörper 2 befestigt ist. Der Sensor 4 ist insbesondere ein optoelektronischer Wandler in Form eines Photodetektors, von welchem die der auftreffenden Lichtenergie analogen elektrischen Signale über eine Signal­ leitung 5 zu einer Auswerteeinheit 6 leitbar sind.

Wenn man, wie gestrichelt angedeutet, den Laser L2 mit seiner optischen Achse a2 um 90° dreht, so daß ein Laser L2′ mit seiner optischen Achse a2′ den Meßstrahl S2 im wesentlichen parallel zum Aufheizstrahl S1 auf einen 45°-Umlenkspiegel 7 sendet, dann kann der Grundflächen- bzw. Raumbedarf der Meß­ einrichtung verringert werden.

Mit der Einrichtung nach Fig. 1 läßt sich also ein Verfahren zur zerstörungsfreien und berührungslosen Bestimmung des Feuchte­ gehalts in zur Aufnahme von Feuchtigkeit fähigen Körpern, in diesem Fall einer Gesteinsprobe 1, verwirklichen. Zu diesem Zweck wird der von der ersten Quelle L1 für elektromagnetische Strahlung bekannter Leistung ausgehende Aufheizstrahl S1 auf einen Meßfleck 8 an der Probenoberfläche 1a des zu untersuchen­ den Körpers 1 während einer vorgegebenen Zeitspanne gerichtet und dabei ein definiertes Wärmeenergiequantum vom Probenkörper 1 absorbiert, so daß sich erwärmungsbedingt an der an den Meß­ fleck 8 oder Meßfleckbereich angrenzenden Atmosphäre eine Dampf­ blase D ausbildet. Zugleich wird mit dem von der zweiten Quelle L2 bzw. L2′ für elektromagnetische Strahlung bekannter Leistung ausgehende Meßstrahl S2, der wenigstens auf einer Teillänge angenähert parallel zur Probenoberfläche 1a geführt wird, die Dampfblase D durchstrahlt und der aus der Dampfblase austretende Meßstrahl S2 auf den Sensor 4 geworfen. Dabei ist die mit dem Sensor 4 gemessene Restintensität des beim Durchdringen der Dampfblase D geschwächten Meßstrahls ein Maß für die Dampfdichte und damit ein Maß für den Feuchtegehalt des untersuchten Körpers 1. Bei diesem Vorgang wirken die sich im Raum der Dampfblase D befindenden Wassermoleküle als Streuzentren, die den einfallenden Meßstrahl S2 diffus in verschiedene Richtungen streuen. Die gestreute Strahlung S3 (vgl. Fig. 2 und 3) geht der Primär­ strahlung S2 verloren, d. h. diese wird in ihrer Intensität ge­ schwächt, so daß nach Passieren der Dampfblase D der Meßstrahl S3 nur eine Intensität I_S2-I_S3 aufweist, wenn man mit I_S2 die Intensität des Meßstrahls S2 vor Passieren der Dampfblase D und mit I_S3 die Intensität der Streustrahlung S3 bezeichnet. Der Sensor 4, vorzugsweise ein Photodetektor, nimmt die Intensitäts­ änderung wahr und gibt die entsprechenden elektrischen Signale an die Auswerteeinheit 6 weiter, wo die elektrischen Signale verarbeitet und eingespeichert sowie insbesondere an einem Bildschirm sichtbar gemacht werden können. Die Auswerteeinheit 6 umfaßt deshalb einen Rechner, insbesondere in der kompakten Form eines PC mit Monitor, und - dem PC vorgeschaltet - einen Meßverstärker (nicht dargestellt).

Für das Verfahren hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, als Aufheizstrahl S1 einen Laserstrahl zu verwenden, dessen Wellenlänge im Infrarotbereich liegt. Auch der Meßstrahl S2 ist bevorzugt ein Laserstrahl, der zweckmäßigerweise einem anderen Wellenlängenbereich angehört als der Aufheizstrahl S1, so daß - wenn der Sensor 4 auf das Frequenzspektrum des Lasers L2 abgestimmt ist - durch die Streustrahlung, welche von der Dampfblase D ausgeht, die Messung durch den Sensor 4 nicht verfälscht werden kann. Bevorzugt liegt die Wellenlänge des Lasers L2 für die zweite Strahlungsquelle im sichtbaren Bereich, z. B. bei 630 nm.

Aus der schematischen Darstellung nach Fig. 2 erkennt man, daß der Meßstrahl S2 einen relativ kleinen Strahldurchmesser hat, wenn er die Dampfblase D durchdringt, so daß die Intensitäts­ schwächung des Meßstrahls S2, wenn er von der Sammellinse F3 auf den Sensor 4 (Strahlabschnitt S24) fokussiert wird, nicht so groß ist wie diejenige beim Strahlabschnitt S24 nach Fig. 3, wo der Meßstrahl S2 auf seinem ersten Strahlabschnitt S21, welcher zwischen Laser L2 und Dampfblase D sich befindet, aufge­ fächert und mittels der Sammellinse F2 fokussiert wird. Inner­ halb der Dampfblase ergibt sich deshalb ein Fokusschlauch 9 für den Meßstrahl S2 und in Richtung des Meßstrahls S2 gesehen vor dem Fokusschlauch 9 ein konvergierender Strahlenfächer 10.1 und nach dem Fokusschlauch 9 ein divergierender Strahlenfächer 10.2. Fokusschlauch 9 und Strahlenfächer 10.1, 10.2 erstrecken sich über mehrere Millimeter und vergrößern den Streueffekt, so daß die Abschnitte S23 (zwischen Dampfblase D und Sammellinse F3) sowie S24 (zwischen Sammellinse F3 und Sensor 4) des Meßstrahls S2 in ihrer Intensität entsprechend stärker geschwächt sind, wo­ durch ein vergrößertes elektrisches Nutzsignal erhalten werden kann. Bei der Auswertung des Meßergebnisses können vorher auf­ genommene Eichkurven herangezogen werden, die die Intensitäts­ schwächung des Meßstrahls S2 innerhalb der Dampfblase D, z. B. in Form einer Kurve, in Abhängigkeit vom Grad der Feuchtigkeit zwischen 0 und 100% im Probenkörper 1 angeben.

Die Meßeinrichtung ME2 nach Fig. 4 stellt eine Weiterbildung derjenigen nach Fig. 1 dar. Es handelt sich dabei um einen portablen Meßkopf 2 als Tragkörper mit einem quaderförmigen Gehäuse 11 und einer Meßöffnung 12 in einer Stirnwand 11a des Gehäuses 11. Die erste Strahlungsquelle L11 ist im Gehäuse 11 untergebracht. Es handelt sich dabei um einen Lichtwellenleiter, welcher durch die Kabeldurchführung 13 des Gehäuses 11 hindurch als Teil eines Versorgungskabels 14 zur hier nicht dargestellten Auswerte- bzw. Zentraleinheit geführt ist. Von einer Sende­ fläche 16 am Ende des Lichtwellenleiters L11 gelangt der Auf­ heizstrahl S1 über die ersten fokussierenden Mittel in Form einer Sammellinse F1 wieder auf den Meßfleck 8 eines Probe­ körpers 1, der in diesem Fall zu einem Mauerwerk gehören kann. Zu diesem ist der portable Meßkopf 2 im Abstand b1 an seiner Stirnwand 11a positioniert. In vielen Fällen ist es notwendig, eine Berührung des Meßkopfes 2 mit dem Probekörper 1 zu vermeiden, z. B., um parallel laufende chemische oder bakterio­ logische Untersuchungen nicht zu beeinflussen. Der Meßkopf 2 wird deshalb an einem Stativ (nicht dargestellt) gelagert. Der Meßstrahl S1 wird durch die Meßöffnung 12 hindurchgeleitet. Die zweite Strahlungsquelle wird ebenfalls hier durch einen Lichtwellenleiter L21 gebildet, welcher gekrümmt verlegt ist, so daß von seiner Sendefläche 17 der Meßstrahl S2 quer durch die Dampfblase D auf einen Umlenkspiegel 7 und von dort durch die dritten fokussierenden Mittel in Form zweier Sammellinsen F3.1, F3.2 auf den Sensor 4 geleitet werden kann. Als eigent­ liche Strahlungsquellen, von denen die Lichtwellenleiter L11 und L21 versorgt werden, sind innerhalb der in Fig. 4 nicht dargestellten Zentraleinheit Laserdioden vorgesehen, an welche die Lichtwellenleiter angekoppelt sind. Diese sind zusammen mit den Signalleitungen 18 des Sensors 4 und gegebenenfalls elektrischer Versorgungsleitungen für eine nicht dargestellte Beleuchtung des Meßortes in Form des flexiblen Versorgungs­ kabels 14 gebündelt und zur Zentraleinheit geführt. Die nicht dargestellten Laserdioden sind nebst Treiber in der Zentralein­ heit integriert. Die Laserdiode, welche zur Beleuchtung der Probenoberfläche dient, hat zweckmäßigerweise eine Leistung von ca. 3 W (beim Einkoppeln in den Lichtwellenleiter bzw. die Glasfaser L11 entsteht ein Lichtverlust von ca. 50%). Das aus­ gestrahlte Licht liegt im IR-Bereich. Für die Laserdiode, die den Meßstrahl S2 erzeugt, genügen wenige Milliwatt. Diese Diode strahlt vorzugsweise im sichtbaren Bereich ab, wie bereits erläutert wurde.

Beim dritten grundsätzlichen Ausführungsbeispiel einer Meß­ einrichtung ME3 nach Fig. 5 ist die Anordnung der Laser L1 und L2 für die erste bzw. zweite Strahlungsquelle so getroffen wie die beim ersten Ausführungsbeispiel nach Fig. 1, d. h. die Laser L1 und L2, bevorzugt Diodenlaser, sind innerhalb des portablen Meßkopfes 2 untergebracht, und zwar derart, daß ein Versorgungskabel 14′ für den portablen Meßkopf 2 lichtwellen­ leiterfrei ausgebildet sein kann. In diesem befinden sich vielmehr nur elektrische Signal- und Stromversorgungsleitungen.

Der Aufheizstrahl S1 wird vom Laser L1 durch die Sammellinse F1 hindurch auf den Meßfleck 8 des Probenkörpers 1 fokussiert, der z. B. zu einem Mauerwerk oder einer Holzkonstruktion gehören kann. Die sich ausbildende Dampfblase D wird vom Meßstrahl S2 durchstrahlt, welcher vom zweiten Laser L2 seinen Ausgang nimmt und vom 45°-Umlenkspiegel 19 umgelenkt sowie über die Sammellinse F2 in die Dampfblase D fokussiert wird. Nach Verlassen der Dampfblase D wird der Meßstrahl S2 durch die beiden optisch hintereinander geschalteten Sammellinsen F31 und F32 auf die Empfangsfläche des Sensors 4 geworfen, wobei im Lichtweg zwischen den beiden Sammellinsen F31, F32 ein 45°-Umlenk­ spiegel 7 eingefügt ist.

Anstelle der Sammellinsen für die ersten bis dritten fokussie­ renden Mittel können zum Teil auch Hohlspiegel eingesetzt werden, wenn dies der Strahlenweg w1 bzw. w2 für den Aufheiz­ strahl S1 bzw. den Meßstrahl S2 zuläßt oder erfordert. Zur Abstandsjustierung kann entweder der Abstand b1 der Stirnwand 11a zur Probe eingestellt werden oder der Abstand b2 des Mittel­ punkts der Sammellinse F1 zum Meßfleck 8, damit eine vorgegebe­ ne Lichtfleckgröße und damit Energieeinkopplung pro Flächen­ einheit reproduzierbar eingehalten werden kann. Gestrichelt dargestellt sind in Fig. 5 zwei faseroptische Sonden 20, 21, die an einen optoelektronischen Signalumformer 22 angeschlossen sind. Die eine Sonde 20 dient der Beleuchtung des Meßflecks 8, die andere Sonde 21 weist an ihrem freien Ende ein kleines Objektiv auf, welches der Bildaufnahme des Meßflecks dient; dieses Bild wird über die Faseroptik 21 zum Signalumformer 22 und von da über Signalleitungen 23 zu einem (nicht dargestell­ ten) Monitor geleitet, so daß eine Scharfeinstellung und damit Abstandsjustierung bequem möglich ist. Anstelle der faseropti­ schen Sonden 20, 21 mit Signalumformer könnte auch eine kleine Videokamera Verwendung finden, wie anhand von Fig. 1 bereits erwähnt (nicht dargestellt) .

Fig. 6 zeigt, daß der Pegel der Signalspannug U_S des Sensors 4 mit zunehmender Dampffeuchte in der Dampfblase D abnimmt. Die Kurven D1 bis D4 gehören in der genannten Reihenfolge zu einer Dampffeuchte von 0,25, 60 bzw. 100%. Die mit steigender Dampf­ feuchte einhergehende Signalschwächung ist klar erkennbar. Bei der ausgemessenen Probe handelt es sich um einen Obernkirchner Kalksandstein.

Claims (23)

1. Verfahren zur zerstörungsfreien und berührungslosen Bestimmung des Feuchtegehaltes in zur Aufnahme von Feuchtigkeit fähigen Körpern, insbesondere Festkörpern, dadurch gekennzeichnet,

• - daß ein von einer ersten Quelle (L1, L11) für elektromagnetische Strahlung bekannter Leistung ausgehender Aufheizstrahl (S1) auf einen Meßfleck (8) an der Probenoberfläche (1a) des zu unter­ suchenden Körpers (1) während einer vorgegebenen Zeitspanne gerichtet und dabei ein definiertes Wärmeenergiequantum vom Körper (1) absorbiert wird, so daß sich erwärmungsbedingt in der an den Meßfleckbereich angrenzenden Atmosphäre eine Dampf­ blase (D) ausbildet und
• - daß mit einem von einer zweiten Quelle (L2, L21) für elektro­ magnetische Strahlung bekannter Leistung ausgehenden Meßstrahl (S2) wenigstens auf einer Teillänge angenähert parallel zur Probenoberfläche (1a) geführt wird, die Dampfblase (D) durch­ strahlt und der aus der Dampfblase (D) austretende Meßstrahl (S2) auf einen Sensor (4) geworfen wird, wobei die mit dem Sensor (4) gemessene Restintensität des beim Durchdringen der Dampfblase (D) geschwächten Meßstrahls (S2) ein Maß für die Dampfdichte und damit für den Feuchtegehalt des untersuchten Körpers (1) ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufheiz­ strahl (S1) ein Laserstrahl ist, dessen Wellenlänge im Infrarot­ bereich liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auch der Meßstrahl (S2) ein Laserstrahl ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellen­ länge des Meßstrahls (S2) in einem anderen Wellenlängebereich liegt als diejenige des Aufheizstrahls (S1).

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellen­ länge des Meßstrahls (S2) im sichtbaren Bereich liegt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß vor Beginn der Messung die Laser-Lichtfleckgröße des Aufheizstrahls (S1) bzw. der Abstand einer ihn fokussierenden Optik (F1) vom Meß­ fleck (8) justiert wird.

7. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Bestimmung des Feuchtegehaltes in Gestein oder gesteinsähnli­ chen Strukturen, insbesondere in Mauerwerk- oder Betonstrukturen von Wänden oder Decken.

8. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Bestimmung des Feuchtegehaltes von Holzstrukturen.

9. Meßeinrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch einen mobilen, bezüglich des zu untersuchenden Körpers positionier­ baren Tragkörper (2)

• - mit einer an diesem befestigten ersten Strahlungsquelle (L1, L11), deren Aufheizstrahl (S1) längs eines ersten Strahlenweges (w1) auf die Probenoberfläche (1a) des zu untersuchenden Kör­ pers (1) zu dessen lokaler Erwärmung und zur Erzeugung einer Dampfblase (D) werfbar ist,
• - mit einer zweiten, am Tragkörper (2) befestigten Strahlungs­ quelle (L2, L21, L2′), deren Meßstrahl (S2) zur Durchstrahlung der Dampfblase (D) längs eines zweiten Strahlenwegs (w2) wenigstens auf einer Teillänge angenähert parallel zur Probenoberfläche (1a) leitbar ist,
• - und mit einem am Ende des zweiten Strahlenwegs am Tragkörper (2) befestigten Sensor (4), auf welchen der die Dampfblase (D) durchstrahlende Meßstrahl (S2) fokussierbar ist.

10. Meßeinrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch einen portablen Meß­ kopf als Tragkörper (2),

• - mit einem Gehäuse (11) und einer Meßöffnung (12) in einer Wand (11a) des Gehäuses (11),
• - mit der ersten Strahlungsquelle (L1) im Gehäuse (11), deren Aufheizstrahl (S1) durch die Meßöffnung (12) längs des ersten Strahlenwegs (w1) auf die Probenoberfläche (1a) des zu unter­ suchenden Körpers (1) werfbar ist, so daß die sich bildende Dampfblase (D) durch die Meßöffnung (12) hindurch in das Gehäuse (11) eindringt,
• - mit der zweiten Strahlungsquelle (L2) im Gehäuse (11), deren Meßstrahl (S2) durch die Dampfblase (D) hindurch leitbar ist,
• - und mit einem am Ende des zweiten Strahlenwegs (w2) im Gehäuse (11) angeordneten Sensor (4), auf welchen der die Dampfblase (D) durchstrahlende Meßstrahl (S2) fokussierbar ist.

11. Meßeinrichtung nach Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet durch erste fokussierende Mittel (F1) für den Aufheizstrahl (S1), welche diesen auf den Meßfleck (8) an der Probenoberfläche (1a) fokussieren.

12. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, gekennzeichnet durch zweite fokussierende Mittel (F2) für den Meßstrahl (S2), welche diesen zu einem Fokusschlauch (9) im Bereich der Dampfblase (D) fokussieren.

13. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, gekennzeichnet durch dritte fokussierende Mittel (F3) für den Meßstrahl (S2), welche diesen nach Passie­ ren der Dampfblase (D) auf die Empfangsfläche des Sensors (4) fokussieren.

14. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die fokussierenden Mittel (F1-F3) Linsensysteme aufweisen.

15. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die fokussierenden Mittel Hohlspiegel aufweisen.

16. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Strahlungsquelle (L1) ein im Infrarotbereich emittierender Laser ist.

17. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Strahlungsquelle (L2) ein im sichtbaren Bereich emittierender Laser ist.

18. Meßeinrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Strahlungsquelle (L1) eine Laserdiode ist, an welche ein erster Lichtwellenleiter (L12) angekoppelt ist, dessen Sendefläche den Aufheizstrahl (S1) über eine Fokussierlinse (F1) auf den Meßfleck (8) wirft.

19. Meßeinrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Strahlungsquelle (L2) ebenfalls eine Laserdiode ist, an welche ein Lichtwellenleiter (L21) angekoppelt ist, dessen Sendefläche (17) den Meßstrahl (S2), gegebenenfalls über die zweiten fokussierenden Mittel (F2), durch die Dampfblase (D) sendet.

20. Meßeinrichtung nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch einen im zweiten Strahlenweg (w2) dem Dampfblasenvolumen nachgeschalteten Umlenk­ spiegel (7), welcher den zweiten Meßstrahl (S2) über dritte fokussierende Mittel (F3) auf die Empfangsflächen des Sensors (4) wirft.

21. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Laser (L1, L2) für die erste und zweite Strahlungsquelle nebst zugehöriger elektrischer und elektronischer Beschaltung inner­ halb einer Zentraleinheit untergebracht sind und der die optischen Systeme einschließlich Lichtwellenleiter (L11, L12) sowie den Sensor (4) enthaltende Meßkopf (2) mit der Zentral­ einheit über ein flexibles Kabel (14) verbunden ist, welches die elektrischen Signalleitungen und die Lichtwellenleiter enthält.

22. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß je ein Laser (L1, L2) für die erste und die zweite Strahlungsquelle innerhalb des portablen Meßkopfes (2) untergebracht sind, derart, daß ein Versorgungskabel (14) für den portablen Meßkopf (2) lichtwellenleiterfrei ausgebildet ist.

23. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß bilderzeu­ gende Mittel (20-23) zur Abbildung und Fernübertragung des Meßflecks (8) vorgesehen sind, mit denen die Schärfe des Meß­ flecks (8) und damit ein vorgegebener Abstand der fokussierenden Optik (F1) bzw. die Größe des Laser-Lichtflecks einstellbar sind.