EP1141695A1 - Verfahren zur untersuchung eines erstarrenden und/oder erhärtenden werkstoffs mittels ultraschall, aufnahmegefäss und ultraschallgeber zur durchführung des verfahrens - Google Patents

Verfahren zur untersuchung eines erstarrenden und/oder erhärtenden werkstoffs mittels ultraschall, aufnahmegefäss und ultraschallgeber zur durchführung des verfahrens

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EP1141695A1
EP1141695A1 EP99962082A EP99962082A EP1141695A1 EP 1141695 A1 EP1141695 A1 EP 1141695A1 EP 99962082 A EP99962082 A EP 99962082A EP 99962082 A EP99962082 A EP 99962082A EP 1141695 A1 EP1141695 A1 EP 1141695A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
ultrasound
ultrasonic
energy
receptacle
waves
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP99962082A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
H.-W. Reinhardt
Christian Grosse
Alexander Herb
Bernd Weiler
Günther Schmidt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Universitaet Stuttgart
Original Assignee
Universitaet Stuttgart
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01N2291/04—Wave modes and trajectories
    • G01N2291/048—Transmission, i.e. analysed material between transmitter and receiver

Definitions

  • the invention relates to the investigation of a solidifying and / or hardening material, such as cement, concrete or the like, by means of ultrasound waves, which penetrate the material from an ultrasound transmitter to an ultrasound transducer, are continuously measured and analyzed.
  • Ultrasonic waves can pass through a material non-destructively and are influenced by the elastic properties of the material. In this way information about the elastic properties can be obtained.
  • the invention is therefore based on the object of being able to use an ultrasound examination method reliably in industrial practice and of being easy to handle to enable continuous monitoring of the condition of a solidifying and / or hardening material.
  • the material to be examined is placed in a receptacle and compressed.
  • a preferably broadband (i.e. sufficiently linear frequency response function over a wide spectral range) ultrasound transmitter and a corresponding transducer On each opposite side of the receptacle there is a preferably broadband (i.e. sufficiently linear frequency response function over a wide spectral range) ultrasound transmitter and a corresponding transducer.
  • This converts the acceleration signal into a voltage signal and feeds it to a computer-controlled analog-digital converter card, which stores the signal in digital form and thus makes it available for further analysis.
  • the speed of the compression wave v P (T), the relative energy E (T) of a measured signal, and the frequency spectrum f (T) of the signal can be extracted using appropriate algorithms.
  • the speed of the compression wave v P (T), the relative energy E (T) of a measured signal, and the frequency spectrum f (T) of the signal depend on the time T since the material was manufactured and together form a complete set of parameters that cover the entire contains information about the material accessible via elastic waves.
  • the relative energy E (T) is defined as the quotient of the wave energy that can be measured after the wave has passed through the material and the energy that was introduced into the material by the ultrasonic pulses.
  • the individual energies are calculated from the integral of the amplitude squares of the respective signals. If the energy introduced is not available as a measured value, this can be assumed to be constant when using a suitable ultrasonic transmitter.
  • the relative energy increases with increasing hardening or solidification of the material. Its integral over time can serve as a further representation of the energy.
  • the transmitted ultrasound wave does not only contain a certain frequency.
  • a wide, continuous frequency spectrum is stimulated up to a certain cutoff frequency, which is reciprocal to the pulse duration.
  • the material is able to transmit different frequency components differently.
  • the spectrum of the signals can be calculated using a Fourier transformation. If these individual spectra are normalized to their maximum, arranged in chronological order and the spectral amplitudes are shown graphically as gray values, so-called contour plots are included. From this three-dimensional representation, z. B. by calculating mean
  • the measured curves are examined in more detail. This is done with the aim of describing the change over time of the measured quantities (speed, energy, frequency) depending on the material composition and composition. So this is a solution to an inversion problem unknown material properties.
  • the method according to the invention simplifies the classification of the material in the context of quality assurance.
  • thermodynamics functions with a sufficient number of free parameters must be used, with the aid of which the curve profiles typical of the change in the measured variables v P , E and f can be interpreted.
  • the Boltzmann function known from thermodynamics is particularly suitable for speed:
  • parameter A2 can be assigned to the water / cement value W / Z when examining fresh concrete.
  • the arrival time of the ultrasound signal at the sensor is determined, which then leads to the transit time.
  • an algorithm was developed that is based on the partial energy and the use of the Hinkley criterion. This allows a robust and very simple approach to first-time detection.
  • the sum of the partial energy S, of a single digitized wave signal can be represented as the sum of the squares of the amplitudes x k 2 :
  • the sample point / corresponds to a certain time during the signal.
  • the arrival of the signal is expressed in a significant increase in this energy sum.
  • the trend can be represented as follows, for example:
  • S N is the energy at the last sample point N.
  • An automatic iteration routine for adapting to the signal quality was implemented for the variable ⁇ value.
  • the method according to the invention can be carried out in industrial practice for the reliable and easy-to-use continuous monitoring of the state of a solidifying and / or hardening material with the aid of a receptacle according to the invention and an ultrasonic transmitter according to claim 4.
  • the molded part of the receptacle acoustically decouples the vessel walls from one another and at the same time creates a secure seal in the receptacle, so that the material is prevented from leaking out of the receptacle.
  • the structure with the aid of the connecting elements enables simple assembly and disassembly of the receptacle into its components for cleaning purposes.
  • the ultrasound transmitter has means for accelerating a ball, which are formed by a compressed gas or a movable lifting magnet. This enables reproducible ultrasound generation with simple means.
  • the method according to the invention or its parts is not restricted to the examination of concrete, but can also be used for other materials, composite materials, plastics, etc.
  • Fig. 1 is a schematic diagram of the experimental arrangement for performing the
  • FIG. 2 shows a longitudinal section through an ultrasound transmitter for carrying out the method according to FIG. 1;
  • FIG. 3 shows a longitudinal section through another ultrasound transmitter for carrying out the method according to FIG. 1;
  • FIG. 4 shows a receptacle for carrying out the method according to FIG. 1;
  • FIG. 5 shows a representation of the measured profile of an ultrasonic signal when carrying out the method according to FIG. 1, as well as the sum of the partial energy of the signal with 3 different values for the trend;
  • FIG. 6 shows a representation of the measured course of the temporal change in the rate of propagation of ultrasound waves when performing the method according to FIG.
  • FIG. 7 shows a representation of the measured course of the change over time of the energy of ultrasonic waves when carrying out the method according to FIG. 1 on mortar with various additives;
  • Fig. 8 is a representation of the measured course of the change over time
  • FIG. 9 shows a contour plot to show the measured course of the change in frequency spectra over time when the method according to FIG.
  • FIG. 1 The principle of the measurement is shown schematically in FIG. 1.
  • a material 2 to be examined is located in a receptacle 1.
  • An ultrasound transmitter or impactor 3 sends an ultrasound pulse over the wall of the receptacle 1 into the material to be examined 2.
  • a / D converter card A which starts the measurement.
  • the ultrasound waves arrive at the ultrasound transducer 4.
  • the ultrasound transducer 4 converts the acceleration signal into the voltage values, which are then digitized and stored by the A / D converter unit B.
  • a preamplifier C is provided in front of the A / D converter unit B.
  • the A / D converter units A and B are connected to an evaluation and control device D.
  • the temporal change in the propagation speed, energy and frequency of the ultrasonic waves provides information about the material properties.
  • the ultrasound sensor 5 provided for the control is only required if an impactor is used as excitation.
  • the ultrasound transmitter 3a in FIG. 2 consists of a non-magnetic tube 6, in the tube end 7 of which faces away from the receptacle, a ball 8 made of ferritic steel is held by means of permanent magnets.
  • a pressure gas shock can be exerted on the ball 8.
  • the ball 8 is released from the permanent magnet by this pressure gas shock, is accelerated by the spreading gas in the direction of the tube end 10 facing the receptacle and strikes the housing wall of the receptacle, so that a short, broadband ultrasound pulse spreads.
  • the ball 8 loses only part of its energy and can return to its starting position with the residual pulse, in which it is held again by the permanent magnet.
  • Bores 11 prevent the air column from being compressed in front of the ball 8, and the accelerated ball 8 is thereby braked.
  • a safety device which acts on the solenoid valve, prevents accidental triggering of the compressed gas shock.
  • a sight glass allows the position of the ball 8 to be monitored in the starting position.
  • C0 2 is preferably used as the compressed gas in that a gas bottle can be connected to the solenoid valve 9.
  • the gas pressure can be checked and changed by means of a pressure setting device.
  • the pulse energy can be varied either this way or by changing the valve opening time. From the control unit WO 00/34769 - Q - PCT / DE99 / 03760
  • a single pressure gas surge a delayed pressure gas surge or a multiple pressure gas surge
  • the trigger signal for the compressed gas surge can be given manually or via TTL trigger signals.
  • the delay time for the delayed burst of compressed gas or the interval between two bursts of compressed gas can be set between 1 s and several minutes.
  • FIG. 3 shows an ultrasound transmitter 3b, which comprises a lifting magnet with a coil body 12 and a displaceable armature 13.
  • a spherical cap 15 is fixed on the armature tip 14.
  • a voltage pulse from a control unit energizes the coil body 12 so that the armature 13 is accelerated out of its rest position.
  • the spherical cap 15 strikes the ball 16 held by a fastening means (union nut), which transmits the shock as an ultrasound pulse to the receptacle.
  • a return spring 18 returns the armature 13 to its rest position, where it remains on a damping seat plate 19 until the next voltage pulse.
  • the ball 16 can be exchanged by means of the releasably fastened fastening means 17 in order to vary the contact time during the impact and thus the pulse width (frequency width).
  • a transition piece 20 is made of electrically insulating material.
  • the cap 15 is connected to the armature in an electrically conductive manner.
  • a voltage between the ball 16 and the armature 13 is short-circuited for the duration of the contact time of the impact. This creates a trigger pulse for external devices, the length of which corresponds to the contact time.
  • the length of the voltage pulse on the control device can be changed to generate different pulse strengths or energies. Solenoids of different powers can be used for this purpose.
  • the receptacle 21 has 2 vessel walls 22, 23 made of a rigid, transparent material, between which a U-shaped molded part 24 made of elastic material (for example rubber) is arranged.
  • the rigid vessel walls 22, 23 are connected to one another via connecting elements 25 and thus fix the elastic molded part between them.
  • An ultrasound transmitter 3 is attached to the vessel wall 23 opposite an ultrasound transducer 4, which is attached to the vessel wall 22.
  • the receptacle 21 can hold a hardening and / or solidifying material in order to be able to examine it in situ during the hardening by means of ultrasound.
  • the receptacle also establishes contact between the material and ultrasound transmitter 3 and receptacle 4 via the vessel walls 22, 23.
  • the vessel 21 hardly influences the examination of the material, since it has poorer acoustic properties than this.
  • the attenuation of the ultrasonic waves in the Vessel walls 22, 23 and in the molded part 24 is larger than in the material to be examined.
  • the vessel is made up of a few, easy-to-handle and cleanable parts. It is also reusable. Due to their rigid shape, the vessel walls 22, 23 cause the radiation of approximately plane waves, so that near-field effects are eliminated. On the one hand, this enables smaller vessel geometries (with point sources and the propagation of spherical waves, measurements with travel paths that are smaller than twice the wavelength would be problematic).
  • the molded part 24 acoustically decouples the vessel walls 22, 23 and fulfills the function of a seal.
  • the vessel walls 22, 23 are pressed against the molded part 24.
  • a rubber cover (not shown) can prevent water from evaporating and thus falsify the measurement.
  • FIG. 5 shows the principle of the automatic detection of the first application time for the determination of the compression wave speed.
  • the measured waveform of an ultrasound signal is shown as an example.
  • the sum of the partial energy of the signal with 3 different values for the trend ⁇ is plotted on the same time axis. From this it can be deduced that an ⁇ of 5 is most suitable for determining the minimum of the energy, corresponding to the arrival time of the waves.
  • the algorithm used performs this optimization.
  • FIG. 6 shows the change in the propagation speed of the sound waves using the example of a mortar without and with three different additives.
  • the change in energy is plotted in an analogous manner in FIG. 7 over time.
  • the increase in speed or energy at different times can be seen in both figures, corresponding to the different nature of the additives.
  • the size of the increase and the time at which a certain final value of speed or energy is reached also vary.
  • a variant of this is the integral of FIG Energy in which the slope of the curves shows serious differences.
  • the change in the frequency spectra is shown in FIG. 9 on the basis of a measurement on a concrete.
  • High low-frequency components in the spectra can be seen at the beginning of the measurement, and an increasing broadening of the frequency band in the further course.
  • characteristic frequency-amplitude representations over time are obtained for different materials or materials with varying elastic properties. Curves that are easier to analyze can be derived from this. If you determine z. B. arithmetically the frequency maxima in the range 0-20 kHz, the lower of the dotted curves shown in FIG. 9 results, which is typical for this material. Such a curve can also be determined for other frequency ranges (e.g. 20-60 kHz) (upper curve); the area between the curves then describes characteristic material parameters.
  • FIG. 10 shows a parameter study for adapting the Boltzmann function selected as a compensation function to the course of the change in the wave speed over time. For this presentation, a measurement was selected using the described method on concrete. According to their mathematical formulation
  • the free parameters are determined by the best possible adaptation of the compensation function to the change in the rate of propagation over time.
  • Reference values of the free parameters are known from reference measurements, which correspond to certain material properties, such as strength, hardness, grain size or the like. When a material is to be examined, current values of the free parameters are determined and compared with the reference values, so that statements about the material properties of the material under investigation are obtained.

Abstract

Zur Untersuchung eines erstarrenden und/oder erhärtenden Werkstoffs (2), wie Zement, Beton oder dergleichen, mittels Ultraschallwellen, die einen erstarrenden und/oder erhärtenden Werkstoff ausgehend von einem Ultraschallgeber (3) durchdringen, werden Ultraschallwellen kontinuierlich gemessen (4) und analysiert. Die zeitliche Änderung der Kompressionswellengeschwindigkeit und/oder relativen Energie der Ultraschallwellen und/oder der Frequenzspektren der Ultraschallwellen wird durch eine Ausgleichsfunktion, vorzugsweise die Boltzmann-Funktion, angenähert. Den freien Parametern der Ausgleichsfunktion werden Werkstoffeigenschaften zugeordnet. 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

Verfahren zur Untersuchung eines erstarrenden und/oder erhärtenden Werkstoffs mittels Ultraschalls, Aufnahmegefäß und Ultraschallgeber zur Durchführung des Verfahrens
Die Erfindung betrifft die Untersuchung eines erstarrenden und/oder erhärtenden Werkstoffs, wie Zement, Beton oder dergleichen, mittels Ultraschallwellen, die den Werkstoff ausgehend von einem Ultraschallgeber bis zu einem Ultraschallaufnehmer durchdringen, kontinuierlich gemessen und analysiert werden.
Stand der Technik
Derartige Untersuchungen 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 bekannt geworden.
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.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Ultraschalluntersuchungsverfahren in der industriellen Praxis zuverlässig verwenden zu können und eine leicht handhabbare kontinuierliche Überwachung des Zustandes eines erstarrenden und/oder aushärtenden Werkstoffes zu ermöglichen.
Gegenstand und Vorteile der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren Art gelöst, das die Merkmale des Patentanspruchs 1 aufweist.
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 vP(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 vP(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 vP(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 Ultraschallimpuis 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 vP, E und f typischen Kurvenverläufe interpretiert werden können. Beispielsweise für die Geschwindigkeit eignet sich dazu besonders die aus der Thermodynamik bekannte Boltzmann-Funktion:
ι+ e dx
Sie enthält die vier freien Parameter A 1, A2, xO 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 gemäß Patentanspruch 2 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, eines einzelnen digitalisierten Wellensignals läßt sich wie folgt darstellen als Summe der Amplitudenquadrate xk 2:
2
X, k=<3
Dabei entspricht der Samplepunkt / 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 δ automatisch erkannt werden muß: S'ι = ∑xκ2 ~ iδ k=0
Der Trend kann beispielsweise wie folgt dargestellt werden:
δ = SN a - N
SN ist die Energie beim letzten Samplepunkt N. Für den variablen α-Wert wurde eine automatische Iterationsroutine zur Anpassung an die Signalqualität implementiert.
Die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in der industriellen Praxis zur zuverlässigen und leicht handhabbaren kontinuierlichen Überwachung des Zustandes eines erstarrenden und/oder aushärtenden Werkstoffes mit Hilfe eines erfindungsgemäßen Aufnahmegefäßes gemäß Patentanspruch 3 und eines erfindungsgemäßen Ultraschallgebers gemäß Patentanspruch 4 möglich.
Das Formteil des Aufnahmegefäßes koppelt die Gefäßwände akustisch voneinander ab und schafft gleichzeitig eine sichere Abdichtung des Aufnahmeraums, so dass ein Auslaufen des Werkstoffs aus dem Aufnahmeraum verhindert wird. Der Aufbau mit Hilfe der Verbindungselemente ermöglicht eine einfache Montage und Demontage des Aufnahmegefäßes in seine Bestandteile zu Reinigungszwecken.
Der Ultraschallgeber weist Mittel zur Beschleunigung einer Kugel auf, die durch ein Druckgas oder einen beweglichen Hubmagneten ausgebildet sind. Hierdurch wird mit einfachen Mitteln eine reproduzierbare Ultraschallerzeugung ermöglicht.
Zeichnung
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: Fig. 1 eine Prinzipskizze der Versuchsanordnung zur Durchführung der
Untersuchung eines Werkstoffes mittels Ultraschall;
Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Ultraschallgeber zur Durchführung des Verfahrens nach Fig. 1 ;
Fig. 3 einen Längsschnitt durch einen anderen Ultraschallgeber zur Durchführung des Verfahrens nach Fig. 1 ;
Fig. 4 eine Darstellung eines Aufnahmegefäßes zu Durchführung des Verfahrens nach Fig. 1 ;
Fig. 5 eine Darstellung des gemessenen Verlaufs eines Ultraschallsignais bei der Durchführung des Verfahrens nach Fig. 1 , sowie der Summe der partiellen Energie des Signals mit 3 unterschiedlichen Werten für den Trend;
Fig. 6 eine Darstellung des gemessenen Verlaufs der zeitlichen Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Ultraschallwelien bei Durchführung des Verfahrens nach Fig. 1 an Mörtel mit verschiedenen Zusatzstoffen;
Fig. 7 eine Darstellung des gemessenen Verlaufs der zeitlichen Änderung der Energie von Ultraschallwellen bei Durchführung des Verfahrens nach Fig. 1 an Mörtel mit verschiedenen Zusatzstoffen;
Fig. 8 eine Darstellung des gemessenen Verlaufs der zeitlichen Änderung des
Energieintegrals von Ultraschallwellen bei Durchführung des Verfahrens nach Fig. 1 an Mörtel mit verschiedenen Zusatzstoffen;
Fig. 9 einen Kontourplot zur Darstellung des gemessenen Verlaufs der zeitlichen Änderung der Frequenzspektren bei Durchführung des Verfahrens nach Fig.
1 an Beton sowie eine daraus abgeleitete Frequenz-Zeit-Kurve;
Fig. 10 eine Parameterstudie zur Anpassung einer Ausgleichsfunktion an den Verlauf der zeitlichen Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Ultraschallwellen bei Durchführung des Verfahrens nach Fig. 1. Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Das Prinzip der Messung ist in Figur 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 Figur 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 C02 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 WO 00/34769 - Q - PCT/DE99/03760
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.
Figur 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 Triggerimpuis für externe Geräte erzeugt, dessen Länge der Kontaktzeit entspricht. Zur Erzieiung 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 Figur 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.
Figur 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 δ 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 vP(T), der relativen Energie E(T) eines gemessenen Ultraschallsignals, sowie des Frequenzspektrums f(T) des Ultraschallsignals als Funktion der Zeit dargestellt werden kann. In Figur 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 Figur 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 Figur 8 dargestellte Integral der Energie, bei dem die Steigung der Kurven gravierende Unterschiede zeigen. Die Änderung der Frequenzspektren ist in Figur 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 Figur 9 dargestellten gepunkteten 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.
Figur 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
A *ι, _ — A, y(x) = + An l + e d*
werden die vier freien Parameter Ah A2, xO 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

PAT E NTA N S P R Ü C H E
1. 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 Uitraschallwellen 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 Energie des digitalisierten empfangenen Signals basiert,
wobei der Energieveriauf S, des digitalisierten Signals durch die Summe der
Amplitudenquadrate xk 2 bestimmt wird:
s. -Σ k=<3
wobei xk für den k-ten Samplepunkt des digitalisierten Signals steht und das Minimum des Energieverlaufs S,' bestimmt wird, der sich aus einer Korrektur von S, mit einem Trend δ ergibt:
S'< = ∑xk2 ~ iδ k=0
mit δ = S" a - N
wobei SN die partielle Energie beim letzten Samplepunkt N ist und α iterativ durch einen Vergleich des korrigierten Energieverlaufs S,' mit der gemessenen Wellenform eines empfangenen Ultraschallsignals bestimmt wird, und die Ankunftszeit der Ultraschallwelle (Ersteinsatz) dem Minimum des korrigierten Energieverlaufs S,' zugeordnet wird.
3. 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.
4. 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.
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