NL1028886C1

NL1028886C1 - Methode inwendig materiaalonderzoek.

Info

Publication number: NL1028886C1
Application number: NL1028886A
Authority: NL
Inventors: Wilhelmus Hendrikus Ann Peelen
Original assignee: Tno
Priority date: 2005-04-27
Filing date: 2005-04-27
Publication date: 2006-10-30
Also published as: EP1717575A1

Description

Titel: Methode inwendig materiaalonderzoek Gebied

De uitvinding betreft een methode voor het onderzoeken van de inwendige 5 gesteldheid van een materiaal, bijvoorbeeld het verloop van de vochtigheid in bouwkundige constructies, kunstwerken etc.

Achtergrond

Een bekende methode waarmee vochtverdeling in diepterichting van poreuze 10 bouwmaterialen bepaald kan worden is gebaseerd op een sensor, Multi Ring !

Electrode (MRE) genoemd, die in bestaande constructies via een boorgat wordt aangebracht en die bij nieuwe constructies kan worden ingestort. De aldus in het te | monitoren object aangebrachte sensor omvat een serie door isolators gescheiden j ringvormige electrode, waarbij de elektrische weerstand (of impedantie) tussen de 15 opeenvolgende electroden wordt gemeten. Deze weerstandswaarden kunnen met behulp van ijkcurven worden omgerekend tot een een curve voor het verloop van het vochthalte in het materiaal. Doordat de electroden op verschillende diepten in het materiaal liggen kan zo een vochtverdeling in diepterichting gemeten worden.

20 De bekende methode heeft verschillende nadelen. Ten eerste moet, om aan j bestaande constructies te kunnen meten, een gat in het materiaal geboord worden, j waarin de sensor geplaatst wordt. Daarbij moet gezorgd worden voor goed contact tussen de sensor en het materiaal. Daartoe moet een hechtlaag worden gebruikt die echter de meting beïnvloedt. Correctie voor deze beïnvloeding is moeilijk en niet 25 altijd betrouwbaar. Ten tweede is de bekende methode een destructieve meetmethode, die bijvoorbeeld voor monumenten etc. niet is toegestaan. Ten derde is het niet mogelijk om met het bekende sensorsysteem voorspellingen van de vochtverdeling te doen.

! 30 Samenvatting

De onderhavige uitvinding beoogt aan de bezwaren van de bekende methode resp. het bekende systeem tegemoet te komen. Daartoe voorziet de uitvinding in een niet-destructieve meetmethode voor het meten en voorspellen van bijvoorbeeld de vochtverdeling in bouwmaterialen.

35

Aldus wordt hierna een nieuwe methode voorgesteld en in het navolgende nader besproken, voor het onderzoeken (meten, monitoren) van de inwendige gesteldheid (bijvoorbeeld vochtgesteldheid) van een materiaal. De nieuwe methode omvat de volgende stappen: 1028886 2 a. verschaf een relatie, bijvoorbeeld in de vorm van een wiskundig of numeriek model (of mechanisme), tussen de electrische geleidbaarheid, gemeten aan het oppervlakte van het te onderzoeken materiaal, en de inwendige gesteldheid (bijvoorbeeld vochtigheid) ervan; 5 b. breng electroden aan op het oppervlak van het te onderzoeken materiaal, en sluit daarop middelen aan waarmee de onderlinge electrische geleidbaarheid resp. weerstand of impedantie kan worden gemeten; c. meet voor althans een deel der electroden de onderlinge electrische geleidbaarheid resp. weerstand of impedantie; 10 d. voer de gemeten waarden in de genoemde relatie in en voer de daaruit resulterende uitkomsten uit.

Inplaats van electroden te gebruiken die fysiek in het te monitoren materiaal penetreren, wordt gebruik gemaakt van oppervlakte-electroden (die bijvoorbeeld 15 met behulp van electrisch geleidende lijm daarop worden vastgelijmd zonder het materiaal te beschadigen), waarvan de meetwaarden mathematisch en/of numeriek in enkele stappen worden bewerkt tot een twee- of driedimensionaal beeld van de vochtgesteldheid. De uitvinding is gebaseerd op het inzicht dat de mathematische en numerieke modellen om een dergelijke conversie van de van het oppervlak van 20 het materiaal verkregen electrische waarden tot een twee- of driedimensionaal beeld voldoende betrouwbaar zijn om voor het onderhavige doel bruikbaar te zijn. Voorts wordt aangegeven hoe dergelijke relaties (modellen) kunnen worden toegepast waardoor meting van electrische waarden aan het oppervlak van het betreffende object een betrouwbaar beeld van de inwendige materiaalgesteldheid 25 kunnen opleveren.

Bij voorkeur wordt de onder c. genoemde stap in de tijd gezien herhaald, de achtereenvolgens gemeten waarden in de genoemde relatie ingevoerd en de daaruit resulterende uitkomsten aan elkaar gerelateerd. Optioneel kunnen beide onder c.

30 en d. genoemde stappen (paarsgewijs) in de tijd herhaald worden en de uitkomsten daaruit aan elkaar gerelateerd worden. In de eerste optie wordt dus een serie van op verschillende tijdstippen gemeten electrische geleidbaarheidswaarden —na tijdelijk te zijn opgeslagen- als serie meetwaarden aan de relatie toegevoerd en worden de resultaten (namelijk de gesteldheidswaarden) verwerkt. In de tweede 35 optie worden de op verschillende tijdstippen gemeten electrische geleidbaarheidswaarden steeds als individuele meetwaarde aan de relatie toegevoerd en worden de resultaten —na tijdelijk te zijn opgeslagen- als serie verwerkt.

1028886 3

De genoemde inwendige gesteldheid van het materiaal kan betrekking hebben op de (lokale) vochtigheid van dat materiaal. Echter kan de te monitoren inwendige materiaalgesteldheid zich ook wijzigen onder invloed van andere fysische, chemische of biologische processen in het inwendige van dat materiaal, bijvoorbeeld 5 chemische degratie, verrotting (hout), roest (van bijvoorbeeld betonwapening), etc.

De meetelectroden vormen bij voorkeur een (geometrisch) regelmatige reeks waarvan de electrische geleidbaarheid, paarsgewijs met oplopende onderlinge electrode-afstand worden gemeten (bijvoorbeeld electroden 1-2, 1-3, 1-4 etc.). Ter 10 vermijding van ongewenste, bijvoorbeeld electrochemische verschijnselen wordt de onderlinge electrische geleidbaarheid bij voorkeur gemeten met behulp van een wisselspanningsbron. Ter vermijding van storingen door het openbare electriciteitsnet, waarvan de frequentie ca. 50 - 60 Hz is, ligt de frequentie van de wisselspanningsbron bij voorkeur, hoger dan die "lichtnet”-frequentie, maar niet 15 gelijk aan een veelvoud van deze frequentie, vanwege storing door hogere harmonische bijvoorbeeld tussen 100 en 150 Herz.

Bij voorkeur worden metingen zoals die in het voorgaande werd voorgesteld voor het verkrijgen van een beeld van bijvoorbeeld de interne vochtverdeling binnenin 20 een materiaal en het verloop ervan in de tijd, gecombineerd met metingen die kunnen worden uitgevoerd met bijvoorbeeld een sensorsysteem met conventionele sensoren, geschikt voor het meten van de temperatuur, luchtvochtigheid, condensatie etc. Al dergelijke metingen kunnen worden gekoppeld aan middelen voor intelligente dataverwerking waarmee de vochtverdeling in poreuze 25 bouwmaterialen kan worden bepaald en voorspeld, desgewenst gecorreleerd aan de gemeten temperatuur, luchtvochtigheid, condensatie etc. Op deze wijze kunnen met behulp van een combinatie van conventionele en de hierboven behandelde sensors alle andere relevante parameters die de omvang en veranderingen in de vochtverdeling binnen bijvoorbeeld bouwwerken bepalen of beïnvloeden, 30 geïntegreerd worden in één monitorsysteem, waarin, met behulp van een vochttransportmodel adequate voorspellingen van de vochtverdeling kunnen worden gemaakt.

Opgemerkt wordt dat de electroden op het oppervlak van het te monitoren 35 materiaal (die tezamen een sensor vormen) één reeks kunnen vormen die zich in een bepaalde richting uitstrekt of twee (of meer) reeksen die zich elk in een bepaalde richting uitstrekken. Bijvoorbeeld kan de sensor twee reeksen electroden vormen waarvan de ene zich in x-richting uitstrekt en de ander in y-richting (bijvoorbeeld loodrecht op de x-richting). Als de sensor uit zich alleen in x-richting 1028886 4 uitstrekkende electroden bestaat, kan daaruit een tweedimensionaal (namelijk in x-z-richting) vochtbeeld worden verkregen. Als de sensor uit zich in x-richting uitstrekkende reeks electroden bestaat en een reeks zich in y-richting uitstrekkende electroden, kan daaruit een driedimensionaal (namelijk in x-y-z richting) vochtbeeld 5 worden verkregen.

Uitvoerinesvoorbeeld

Figuur 1 toont een object 1 waarvan de vochtigheid gemonitord resp. voorspeld moet worden met behulp van de hierboven uiteengezette methode, waarvoor de hierna 10 nader te bespreken middelen en aanvullende werkwijzen kunnen worden gebruikt. De sensor omvat een aantal elektroden, bijvoorbeeld een aantal strookvormige electroden 2, of andere vormen, die op bepaalde afstanden van elkaar op het oppervlak van het materiaal c.q. de constructie 1, worden geplakt met een stroomgeleidende lijm of dergelijke. De electroden 2 kunnen zich ook in twee 15 richtingen (x- en y-richting, zie boven) uitstrekken, cirkelvormig zijn of in een concentrische configuratie geplaatst worden. De lengte van de strookvormige electroden 2 wordt bij voorkeur klein gekozen ten opzichte van het oppervlak van het bouwmateriaal 1 zodat er sprake is van een lokale meting. Echter kan ook gekozen worden voor een meer globale meting met behulp van relatief grote of lange 20 electroden.

De onderlinge weerstands- of impedantiewaarden tussen de electroden 2 wordt via een draadbundel of databus 3 uitgelezen onder aansturing van een meetmodule 4. Gemakshalve wordt in deze aanvragetekst bij voorkeur over impedantiewaarde 25 gesproken, waaronder zowel de reciproke voor de geleidbaarheid voor gelijkstroom als voor wisselstroom zal worden begrepen, temeer daar die waarde bij voorkeur met behulp van een wisselspanningsbron —in module 4- met een frequentie van bijvoorbeel 150 Hz wordt gemeten (hoewel de impedantie bij de onderhavige vochtmeting doorgaans substantieel “ohms” van karakter zal zijn. De onderlinge 30 impedantiewaarden worden vervolgens door module 4 in een datasignaal omgezet, welk datasignaal via een transmissienetwerk 5 naar een processor 6 wordt overgedragen. De processor leest de geleidbaarheidsdata in en verwerkt die tot data die bijvoorbeeld kunnen worden geprint of via een terminal 7 worden weergegeven. Overigens wordt opgemerkt dat het zeker in de toekomst mogelijk wordt om de 35 modellen op een chip cq processor te zetten, waardoor de meetdata ook locaal geïnterpreteerd worden. Op de werking van de processor 6 wordt hieronder nader ingegaan.

Als inleiding tot een bespreking van de methode die kan worden gevolgd voor het 1028886 5 converteren van de verdeling van electrische geleidbaarheid aan het oppervlak van het object 1, in de richting van waarin zich de reeks electroden 2 uitstrekken (de x-richting) tonen de figuren 2 en 3 de stroomdichtheidsverdeling en de equipotentiaallijnen in een willekeurig object met een constante, homogene 5 geleidbaarheid (of impedantie) door het hele object. Figuur 2 toont daarbij een constellatie met twee electroden op geringe afstand van elkaar, figuur 3 met electroden op grotere afstand van elkaar.

De vochtverdeling die door het in figuur 1 getoonde systeem gedetermineerd moet 10 worden, wordt, in tegenstelling to de in de figuren 2 en 3 voorgestelde situatie, niet-homogeen in de z-richting ofwel de diepterichting van het materiaal verondersteld. De gemeten impedantie wordt bepaald door de geometrische uitvoering van de ; sensor (ondermeer de afstand tussen de strookvormige electroden 2) en de vochtverdeling in het materiaal 1. Dit laatste kunnen we alsvolgt duidelijk maken.

15

Een impedantie- of geleidbaarheidsmeting kan verricht worden door bij een gecontroleerde potentiaal (electrische spanning) de stroomsterkte te meten (Wet van Ohm). De stroomverdeling in de figuren 2 en 3 laat zien dat de stroom zich, voor de verder uit elkaar gelegen elektroden, dieper in het materiaal verspreid, dan 20 voor de dichter bijelkaar gelegen elektroden. Dit komt omdat dat dit de weg van de minste (totale) impedantie is, voor beide configuraties. Met andere woorden de impedantie van dieper gelegen lagen heeft meer effect op de stroomverdeling voor verder uit elkaar gelegen elektroden, en dus op de met deze elektroden gemeten impedantie. Het moge duidelijk zijn dat een niet-homogene impedantieverdeling in 25 de z-richting een andere invloed op de gemeten impedantie heeft voor elektroden met een kleine en grotere onderlinge afstand. Het verkrijgen van vochtprofielen met de voorgestelde sensor is hierop gebaseerd. De electrische geleidbaarheid wordt bij voorkeur paarsgewijs, met oplopende onderlinge electrode-afstand, gemeten, hetgeen in figuur 1 is aangeduid met de electrodeparen PI, P2, P3 etc.

30

Het is principieel niet mogelijk om zondermeer de gemeten impedantieverdeling via modellen of ijkcurven te converteren in een impedantieverdeling in de z-richting.

Dit komt omdat voor deze conversie de geleidbaarheidsverdeling in het materiaal ! nodig is, en deze wordt bepaald door de vochtverdeling, en die vochtverdeling moet 35 nu juist bepaald worden. In het navolgende zal worden uiteengezet hoe, door uit te gaan van een hypothetische (vooronderstelde), bijvoorbeeld op theoretische grond gestoelde vochtverdeling en het als het ware terugprojecteren van die vooronderstelde vochtverdeling naar een daarbij behorende theoretische geleidbaarheids- of impedantie-verdeling, de werkelijke vochtverdeling kan worden | 1028886 6 herleid. Vanuit deze vooronderstelde verdeling kunnen de daarbij behorende meetwaarden worden bepaald met behulp van numerieke methoden. Deze berekende meetwaarden kunnen met de werkelijke (gemeten) waarden worden geconfronteerd. Door middel van een aanpassings- en/of optimalisatieprocedure 5 (“fitting”) kan de discrepantie tussen de werkebjke meetwaarden en de (uit de vooronderstelde vochtverdeling) berekende meetwaarden worden geoptimabseerd (geminimaliseerd) door namelijk de vooronderstelde vochtverdeling te ‘veranderen’.

Dit is een iteratief proces welke uiteindelijk een vochtverdeling oplevert die resulteert in een geleidbaarheidsverdeling die correspondeert met de meetwaarden.

10 Door middel van een dergelijk optimalisatieprocedure kan een goede bepaling van vochtverdeling in de z-richting verkregen worden op basis van de gemeten impedantieverdeling over het object-oppervlak.

De optimalisatieprocedure is in de figuren 4a t/m 4e schematisch voorgesteld. Eerst 15 wordt uitgegaan van een eerste theoretische “gok” voor de vochtverdeling in de z-richting (figuur 4a). Overigens zijn in moderne numerieke optimalisatiesoftware methoden aanwezig voor het bepalen, c.q. aanpassen van dergelijk een goede “gok”.

Vanuit deze vochtverdeling wordt een “theoretische” impedantieverdeling in de x-richting bepaald, door middel van uit de literatuur bekende conversietabellen en/of 20 -algorithmen (figuur 4b).Vervolgens wordt met een numeriek methode, bijvoorbeeld met behulp van een eindige elementen softwarepakket, uitgaande van deze elektrische impedantieverdeling uit figuur 4b en de geometrie van de sensor (figuur 1), de meetwaarden R van de sensor-electroden 2 berekend (figuur 4c, doorgetrokken lijn). Het verschil tussen de berekende (figuur 4c, punten) en de j 25 gemeten waarden wordt met behulp van een optimalisatieprocedure j geminimaliseerd door de vochtverdeling aan te passen (figuur 4d en 4e). Op die i manier wordt het vochtprofiel aan de gemeten elektrische impedantie aangepast i (“gefit”), totdat de “best fit” verkregen is (figuur 4e). Numerieke modellen voor de conversie van de elektrische impedantieverdeling in de z- naar de x-richting, die 30 gekoppeld kunnen worden aan optimalisatieprocedures zijn beschikbaar in bijvoorbeeld het bekende softwarepakket Matlab.

Op de bovenstaande wijze kan vanuit de metingen aan de sensor de momentane vochtverdeling in de z-richting in het bouwmateriaal bepaald worden. Door echter 35 de sensor 2 te koppelen aan een geautomatiseerde meetsysteem 4, eventueel bestuurd door processor 6 via het netwerk 5, kunnen regelmatig (bijvoorbeeld één maal per uur) metingen verricht worden. Daardoor kan dus het tijdsverloop van de vochttoestand gevolg worden, zie figuur 5. Dit tijdsverloop kan beschreven worden met vochttransport-modellen. Goede benaderende modellen kunnen bijvoorbeeld in 1028886 7 de vorm van een partiële differentiaal vergelijking opgesteld worden. Als invoer heeft zo’n model vochttransport parameters van het specifieke materiaal nodig en randvoorwaarden, zoals de relatieve vochtigheid van de buitenlucht, de temperatuur en condensatie op het oppervlak van het bouwmateriaal etc. Sensoren 5 voor deze grootheden kunnen tezamen met de sensor 2 (figuur 1) op of bij het object 1 worden geïnstalleerd en via de databus 3 door module 4 worden uitgelezen en, via netwerk 5, door de processor 6 worden verwerkt waardoor, door middel van periodieke metingen de vochttransport-parameters van het specifieke materiaal van het object 1 bepaald kunnen worden.

10

Met de aldus verkregen gegevens, en het vochttransport model (in de vorm van een numeirek implemnatie van de partiele differentiaal vergelijking), en aannamen over de randvoorwaarden in de toekomst, kan een voorspelling van de vochttoestand van het bouwmateriaal op enig tijdstip gegeven worden. Daarmee is 15 een voorspellende vochtsensor verkregen.

| Voor zowel de interpretatie van de gemeten impedantiewaarden in termen van vochttoestand van het materiaal, alsook de voorspelling van de vochttoestand op basis van de tot dan toe gemeten vochttoestanden als functie van de tijd, zijn 20 numerieke bewerkingen van de meetdata nodig. Daarom is het essentieel dat de gemeten waarden door middel van moderne datatransmissietechnieken, zoals in figuur 1 voorgesteld door de module 4 en het transmissienetwerk 5, naar een “backoffice” 6 worden verzonden. Daar kunnen ze numeriek bewerkt worden tot bijvoorbeeld een advies aan de beheerder van het object 1, gebaseerd op de 25 vochttoestand van het materiaal.

1028886

Claims

1. Methode voor het onderzoeken van de inwendige gesteldheid van een materiaal, omvattende de volgende stappen: a. verschaf een relatie tussen de electrische geleidbaarheid gemeten aan het 5 oppervlakte van het te onderzoeken materiaal (1) en de inwendige gesteldheid ervan; b. breng electroden (2) aan op het oppervlak van het te onderzoeken materiaal en sluit daarop middelen (3) aan waarmee de onderlinge electrische geleidbaarheid kan worden gemeten; 10 c. meet voor althans een deel der electroden de onderlinge electrische geleidbaarheid; d. voer de gemeten waarden in de genoemde relatie (6) in en de daaruit I resulterende uitkomsten uit. |

2. Methode volgens conclusie 1, waarbij de genoemde relatie een wiskundig model 15 omvat.

3. Methode volgens conclusie 1, waarbij de genoemde relatie een numeriek model omvat.

4. Methode volgens conclusie 1, waarbij de onder c. genoemde stap in de tijd gezien herhaald wordt en de achtereenvolgens gemeten waarden in de genoemde relatie 20 ingevoerd en de daaruit resulterende uitkomsten aan elkaar gerelateerd worden.

5. Methode volgens conclusie 1, waarbij de onder c. en d. genoemde stappen in de tijd gezien herhaald worden en de achtereenvolgens uit de genoemde relatie resulterende uitkomsten aan elkaar gerelateerd worden.

6. Methode volgens conclusie 1, waarbij de inwendige gesteldheid van het materiaal 25 betrekking heeft op de vochtigheid van dat materiaal.

7. Methode volgens conclusie 1, waarbij het materiaal een min of meer poreus bouwmateriaal is.

8. Methode volgens conclusie 1, waarbij de electroden een regelmatige reeks vormen en de geleidbaarheid wordt gemeten van electrodeparen van verschillende 30 onderlinge afstand. j

9. Methode volgens conclusie 1, waarbij de onderlinge electrische geleidbaarheid ! wordt gemeten met behulp van een wisselspanningsbron.

10. Methode volgens conclusie 1, waarbij de frequentie van de wisselspanningsbron ligt tussen 100 en 150 Herz.

11. Methode volgens conclusie 1, omvattende de volgende stappen: - ga uit van een vooronderstelde verdeling van de betreffende inwendige gesteldheid; - bereken vanuit deze vooronderstelde verdeling van de inwendige gesteldheid met die vooronderstelde verdeling overstemmende waarden voor de electrische \028886 geleidbaarheid tussen de respectivelijk electroden (2); pas de vooronderstelde verdeling van de betreffende inwendige gesteldheid zolang respectivelijk zodanig aan dat het verschil tussen de berekende waarden voor de electrische geleidbaarheid tussen de respectivelijk electroden en de gemeten 5 waarden voor de electrische geleidbaarheid tussen de respectivelijk electroden minimaal wordt.

12. Methode volgens conclusie 1, waarbij de genoemde relatie tussen de electrische geleidbaarheid gemeten aan het oppervlakte van het te onderzoeken materiaal en de inwendige gesteldheid ervan wordt aangevuld met een of meer relaties tussen de 10 inwendige gesteldheid van het te onderzoeken materiaal en verdere parameters.

13. Methode volgens conclusie 12, waarbij die verdere parameters betrekking hebben op de temperatuur van te onderzoeken materiaal en/of zijn omgeving en/of de vochtigheid van de omgeving van het te onderzoeken materiaal en/of condensatiewaarden etc.

14. Methode volgens conclusie 12, waarbij de electrische geleidbaarheid aan het oppervlakte van het te onderzoeken materiaal en de genoemde verdere parameters onderling worden gecorreleerd en de daaruit resulterende correlaties worden gebruikt in de genoemde relatie tussen de electrische geleidbaarheid gemeten aan het oppervlakte van het te onderzoeken materiaal en de inwendige gesteldheid 20 ervan. 1028886