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| DGZfP-JAHRESTAGUNG 2002 ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung | |||||
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Entwicklung einer Gruppenstrahler-Sendeeinheit für Ultraschalluntersuchungen von BetonbauteilenF. Mielentz, M. Krause und H. WüstenbergBundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), Berlin Kontakt: F. Mielentz ZusammenfassungDie Ultraschall Phased-Array-Technik oder auch Gruppenstrahlertechnik wird erfolgreich in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung an Metallen und Kunststoffen eingesetzt. Mit dieser Technik kann durch zeitlich gesteuerte Anregung der einzelnen Wandlerelemente des Arrays das Schallbündel im Probekörper verschoben, geschwenkt und/oder fokussiert werden. Der für Beton anwendbare Frequenzbereich liegt in der Regel von 50 kHz bis 200 kHz. Die Erzeugung der notwendigen Verzögerungen der Sendespannungen für die Schallbündelsteuerung kann in diesem Frequenzbereich durch kommerziell erhältliche Komponenten der Rechnertechnik erreicht werden. Die Hardware-Entwicklung beschränkt sich somit nur auf die Leistungssendestufen und das Interface zwischen dem Steuerrechner und dem Leistungsteil. Die Phased-Array-Sendeapparatur besteht aus einem Steuerrechner mit eingebauten Timerbaugruppen und einem externen Leistungsteil mit 10 eingebauten Sendern für die Ultraschallprüfköpfe. Als Kompromiss zwischen Schaltungsaufwand und bestmöglicher Anregung werden z. Zt. Rechtecksendestufen mit einstellbarer Impulsbreite verwendet. Durch die variable Impulsbreite kann, je nach verwendeten Prüfköpfen, die Anregung optimiert werden. Orientierende Messungen wurden an einem 50 cm dicken Betonprobekörper mit einem Größtkorn von 8 mm durchgeführt. Die Möglichkeiten des Fokussierens und des Schwenkens des Schallbündels sind in Durchschallung überprüft worden. Es erfolgte danach ein Vergleich der Ergebnisse mit einer Modellrechnung auf Grundlage der Punktquellensynthese. Ultraschall, Beton, Ultraschallsender, Phased-Array-Technik 1 EinleitungDie Anwendung von Ultraschallverfahren im Bauwesen zur zerstörungsfreien Prüfung von Bauteilen aus mineralischen Baustoffen weicht stark von der Ultraschallprüfung an Metallen ab. Die ausgeprägten Materialinhomogenitäten des Betons zwingen wegen der starken Schallschwächung durch Streuung und Absorption in der Regel zur Nutzung von Messfrequenzen von unter 200 kHz, was einer Wellenlänge l größer 2 cm entspricht. Die gängigen Ultraschall-Niederfrequenzprüfköpfe haben meist Schwingerdurchmesser D unter 6 cm, um die Ankopplung der Prüfköpfe auch auf nicht schalungsglatten Betonoberflächen ohne größere Schwierigkeiten zu ermöglichen. Dieses für die Ultraschallprüfung ungünstige Verhältnis D/l hat ein fast ungerichtetes Abstrahlungsverhalten für Longitudinalwellen der Prüfköpfe zur Folge. Außerdem kommt es zusätzlich zu einer intensiven Abstrahlung von Transversal- und Oberflächenwellen. Diese Voraussetzungen erschweren die Auswertung der klassischen Impuls-Echo-Prüfung erheblich und haben zu speziellen Verfahrensoptimierungen für Ultraschallprüfungen im Bauwesen geführt [11]. Ein Abtastverfahren nach dem Prinzip der synthetischen Apertur hat sich in der Praxis als geeignet erwiesen. Auf Basis dieses Verfahrens wurde in der BAM eine Messapparatur mit einem Array, bestehend aus 10 Prüfköpfen, für die Strukturuntersuchung von Betonbauteilen entwickelt, die sich bereits bei zahlreichen Messeinsätzen bewährt hat [6], [8]. Wenn beim Senden die einzelnen Prüfköpfe einer solchen Strahlergruppe mit unterschiedlichen Zeitverzögerungen belegt werden, kann das Schallfeld im Werkstoff gesteuert werden (Abb. 1).
Über die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung mit Ultraschall-Phased-Array-Prüfköpfen im Metallbereich gibt es langjährige Erfahrungen. Mit dieser Technik können die Schallfelder eines Gruppenstrahlerprüfkopfes an die jeweilige Prüfgeometrie angepasst werden. Damit ist ein und derselbe Prüfkopf für die unterschiedlichsten Prüfprobleme einsetzbar. Moderne Gruppenstrahler-Geräte haben eine Vielzahl unabhängiger Sende- und Empfangsstufen, die ein stufenloses Schwenken und Fokussieren des Schallbündels ermöglichen [4], [9], [12]. Über den praktischen Einsatz von Gruppenstrahlern zur Untersuchung von Bauteilstrukturen aus Beton gibt es noch keine Erfahrungen. Erste Untersuchungen an kleinen Mörtel- und Betonradtestkörpern (300 mm Radius, 63 mm Dicke) ergaben vielversprechende Ergebnisse [1], allerdings steht bisher die Aussage über die Eignung der Gruppenstrahlertechnik an Betonbauteilen mit praxisüblichen Abmessungen und Betonrezepturen noch aus. Nachfolgend wird ein Konzept einer Gruppenstrahler-Sendeeinheit vorgestellt, mit der durch zeitlich gesteuerte Anregung der einzelnen Wandlerelemente des Arrays das Schallbündel im Betonbauteil geschwenkt und/oder fokussiert werden kann. 2 Komponenten der Gruppenstrahlersendeapparatur2.1 Ultraschall-Niederfrequenz-Prüfköpfe in Array-Anordnung
Mit Hilfe eines Rechenprogramms auf Grundlage der Punktquellensynthese kann die Eignung der Prüfköpfe aufgezeigt werden und eine Optimierung der Anordnung der Prüfköpfe erfolgen [2]. Abb. 2 zeigt die berechneten Richtcharakteristiken für zwei unterschiedliche Prüfkopfanordnungen mit demselben Fokuspunkt auf der Aufpunktlinie. Im rechten Bild erkennt man deutlich eine ausgeprägte Gitterkeule bei s = 280 cm, die bei einer Messung zu Fehlinterpretationen führen kann. Wegen der besseren Unterdrückung der Gitterkeule im linken Bild wird für den weiteren Einsatz in der Gruppenstrahler-Apparatur die versetzte Anordnung der Prüfköpfe bevorzugt (Abb. 3).
2.2 Ultraschall-Sender Bei den verschiedenen Ultraschall-Sendeimpulsen kann grob zwischen Nadelimpulssender, Rechtecksender und CS-Sender (Controlled Signals) unterschieden werden [3]. Nadelimpulse werden üblicherweise durch eine Kondensatorentladung erzeugt. Die Impulse zeichnen sich durch eine kurze Anstiegszeit und einen langsamen Abfall der Spannung aus. Dieser Abfall wird durch die Entladung der Gesamtkapazität über einen parallel geschalteten Dämpfungswiderstand bestimmt. Mit einem Rechtecksender kann die Impulsdauer der Sendespannung variiert und an die verwendeten Prüfköpfe angepasst werden. Bei zu kurzer Impulsdauer schwingt der Wandler nicht mit seiner Maximalamplitude; ist sie zu lang, wird die Schwingung verzerrt. Bei optimaler Einstellung der Impulsbreite führt die Verwendung eines Rechtecksenders gegenüber eines Nadelimpulssenders zu größeren Amplituden der Ultraschallsignale [5]. Allerdings ist der Schaltungsaufwand der Sendestufe beim Rechtecksender etwas größer als beim Nadelimpulssender.
Abb. 4 zeigt eine Messung mit Rechtecksendeimpuls an einer 330 mm dicken Betonplatte mit getrennten Sende- und Empfangsprüfkopf in Impuls-Echo-Technik. Im Empfangssignal sind niederfrequente Störanteile zu erkennen, die sich mit den Mehrfachechos von der Rückwand überlagern (R1 und R2 in Abb. 4 links unten). Erst nach einer digitalen Filterung des Empfangssignals (fgu = 50 kHz, fgo = 200 kHz) ist im A-Bild das Rückwandecho deutlich zu erkennen (Abb. 5).
CS-Sender benötigen den größten Schaltungsaufwand. Der Signalverlauf und die Frequenz ist jedoch beliebig wählbar, was eine optimale Anpassung des Sendesignals an den Prüfkopf und an das Prüfproblem ermöglicht. Abb. 6 zeigt eine Messung an einer 330 mm dicken Betonplatte mit getrennten Sende- und Empfangsprüfkopf in Impuls-Echo-Technik mit einer Mittenfrequenz fM des Sendesignals von 80 kHz. Im oberen Teil der Abbildung ist das Sendesignal und im unteren Teil das Empfangssignal dargestellt. Im Empfangssignal sind deutlich die Reflexe R1 und R2 von der Rückwand der Betonplatte zu erkennen; der Anteil an Oberflächenwellen ist gering. Bei gleicher Sendeimpulsspannung uss ist die Amplitude des Rückwandechos größer als beim Rechtecksendeimpuls in Abb. 4.
Für eine Gruppenstrahlerapparatur benötigt man für jedes Prüfkopfelement eine zeitlich unabhängig triggerbare Sendestufe. übliche Gruppenstrahlergeräte für Anwendungen an Metallen arbeiten normalerweise im Frequenzbereich über 1 MHz mit Wandlerelementen geringer Masse, die auch mit Nadelimpulssendern nahezu optimal in Resonanz angeregt werden können [5]. Besonders aber bei niedrigen Prüffrequenzen und Prüfköpfen mit großer Masse lohnt ein höherer Aufwand der Sendestufen. Durch Optimierung der Sendeimpulsdauer eines Rechtecksignals oder durch Anregung des Prüfkopfes mit einem angepassten Schwingungsimpuls kann also die Amplitude der Ultraschallsignale erhöht werden. Als Kompromiss zwischen Schaltungsaufwand und bestmöglicher Wandleranregung werden zur Zeit für die Untersuchungen an Betonbauteilen Rechtecksendestufen verwendet. 2.3 Zeitverzögerung
Diese langen Verzögerungszeiten sind bei herkömmlichen Gruppenstrahler-Messapparaturen nicht nötig und daher in der Regel nicht vorgesehen. Die Zeiten liegen in einer Größenordnung, in der bereits kommerziell erhältliche Rechner-Steckbaugruppen, sogenannte Counter/Timer-Boards zur digitalen Zeitverzögerung der Sendeimpulse, eingesetzt werden können. 3 GerätekonzeptDie Gruppenstrahler-Sendeeinheit ist aus den bereits beschriebenen Komponenten Prüfkopfarray, Rechtecksender und Counter/Timer-Boards mit dem entsprechenden Steuerprogramm aufgebaut. Abb. 7 zeigt ein übersichtsbild der Apparatur.
Der Gruppenstrahlerprüfkopf, bestehend aus den einzelnen Ultraschall-Niederfrequenz-Prüfköpfen in Array-Anordnung, ist über ein mehradriges Kabel mit den Sendebaugruppen verbunden. Für jeden Prüfkopf wird eine Sendestufe benötigt, die extern getriggert werden kann. Die Verzögerungszeiten für die Sendeimpulse werden durch handelsübliche Rechner-Steckbaugruppen realisiert. Die Baugruppen sind über Steuerleitungen und Interface-Baugruppen mit den Sendestufen verbunden und lösen zeitversetzt die Sendeimpulse aus. 4 Messung am Betontestkörper4.1 Berechnung der Richtcharakteristiken Nach der Berechnung ist mit der Anordnung der Prüfköpfe nach Abb. 3 eine Erhöhung der Amplitude durch Fokussierung sowie ein Schwenken des Schallbündels im Bauteil möglich. Dargestellt sind in Abb. 8 die berechneten Schallfelder des Arrays ohne und mit Fokussierung und bei einem Schwenkwinkel von 11°. In Abb. 9 sind die entsprechenden Richtcharakteristiken abgebildet. Die Aufpunktlinie für die Berechnung liegt parallel zum Array in 500 mm Abstand (entspricht der Punktlinie in Abb. 8).
4.2 Verwendete Messtechnik Die großen Ankopplungsschwankungen des Empfangsprüfkopfes während der Abtastung der Betonoberfläche stellen sich als nachteilig heraus. Die Messergebnisse sind dadurch nicht reproduzierbar. Als Konsequenz werden die weiteren Messungen berührungslos mit einem Laser-Vibrometer durchgeführt. Abb. 11 zeigt den Messaufbau mit einem Laser-Vibrometer als Ultraschallsensor. Die Betonoberfläche wird dafür mit einer reflektierenden Farbe bzw. Folie im Bereich der Messlinie versehen. Das Abtasten der Messlinie mit dem Laserstrahl erfolgt dabei automatisch mit Hilfe eines rechnergesteuerten Spiegelscanners (Schrittweite 0,5 mm). Die gemessenen Ultraschallsignale werden digitalisiert und jeweils die Amplitude des ersten Maximums im Ultraschall-A-Bild ausgewertet. In den Auswertungen sind diese gemessenen Amplitudenwerte in Abhängigkeit vom Ort dargestellt (Abb. 10).
4.3 Ergebnisse der Messungen an dem Betontestkörper und Ausblick In den Auswertungen der Messungen in Abb. 10 ist deutlich die durch Zeitverzögerung der Sendeimpulse gesteuerte Veränderung der Richtcharakteristiken des Prüfkopfarrays erkennbar. Im oberen Bild ist die Richtcharakteristik ohne Fokussierung abgebildet. Alle Prüfköpfe des Arrays wurden gleichzeitig angesteuert. Das mittlere Bild zeigt die Richtcharakteristik bei fokussiertem Schallfeld. Die Ultraschallamplitude ist um 65 % größer als im nichtfokussierten Fall und das Schallbündel ist deutlich schmaler. Im unteren Bild ist das Schwenken und Fokussieren des Schallbündels kombiniert worden. Deutlich erkennt man die fokussierte Richtcharakteristik mit einer maximalen Amplitude bei s = 110 mm. Zusätzlich treten sprunghafte änderungen der Ultraschallamplitude in den Auswertungen auf, die sich auf wenige Millimeter längs der Messlinie beschränken. Diese Stellen hoher Amplitude erscheinen reproduzierbar auch mit anderen Messanordnungen und werden wahrscheinlich durch die Zuschläge im Beton verursacht. Es konnte durch Messungen gezeigt werden, dass es mit der entwickelten Gruppenstrahler-Sendeeinheit möglich ist, das Schallbündel des Prüfkopfarrays in einem Betonbauteil mit einem praxisüblichen Größtkorn zu fokussieren und zu schwenken. Die geringe Abweichung der Lage des gemessenen Ortes größter Ultraschallamplitude gegenüber des berechneten Fokuspunktes belegt die übertragbarkeit der im Metallbereich eingeführten Berechnungsmodelle auf Betonanwendungen. Der qualitative Vergleich der Messungen mit den Modellrechnungen ergeben unter Berücksichtigung der Inhomogenität des Werkstoffes Beton eine gute übereinstimmung der Richtcharakteristiken. Zukünftig sind Messungen mit der Gruppenstrahler-Sendeeinheit an Betontestkörpern mit anderen Sieblinien und anderen Bauteildicken mit den entsprechenden Simulationsrechnungen geplant. Die Ankoppelproblematik der Prüfköpfe könnte durch neuartige Punktkontaktprüfköpfe überwunden werden, da diese koppelmittelfrei auf die Betonoberfläche gedrückt werden. Durch Erweiterung des Linienarrays auf eine zweidimensionale Anordnung der Prüfköpfe könnte das Schallbündel in alle Richtungen im Bauteil geschwenkt werden. 5 DanksagungDie vorliegende Arbeit wurde im Rahmen der Forschergruppe "Zerstörungsfreie Strukturbestimmung von Betonbauteilen mit akustischen und elektromagnetischen Echo-Verfahren" unter FOR 384 von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert. Weitere Informationen zu diesem Projekt sind im Internet unter http://www.for384.uni-stuttgart.de/ zu finden. Die Schallfeldberechnungen wurden mit einem in der BAM VIII.4 (Zerstörungsfreie Prüfung; akustische und elektrische Verfahren) entwickelten Programm durchgeführt. Insbesondere danken wir Dipl.-Phys. R. Boehm (BAM VIII.4) für die vielen wertvollen Hinweise und die tatkräftige Unterstützung bei der Berechnung der Richtcharakteristiken der Gruppenstrahler-Sendeeinheit. 6 Literatur
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