DACH - Jahrestagung 2004 Salzburg

ZfP in Forschung, Entwicklung und Anwendung

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Ultraschall-Tomographie an Betonbauteilen

M. Schickert, MFPA Weimar, Weimar
Kontakt: Dipl.-Ing. Martin Schickert

Zusammenfassung

Bei der Herstellung von Betonbauteilen können als Gussfehler Hohlräume entstehen. Diese so genannten Kiesnester beeinträchtigen die Stabilität vor allem von Betonsäulen, wenn ihr Anteil am Querschnitt zu groß wird.

In diesem Beitrag wird gezeigt, dass die Ultraschall-Tomographie in Transmission geeignet ist, derartige Fehlstellen nachzuweisen. Dazu wird das tomographische Verfahren adaptiert, indem eine Fächerstrahlanordnung für kreisförmige Querschnitte modifiziert und ein äußeres Medium simuliert werden. Für die Rekonstruktion mit dem Algorithmus der gefilterten Rückprojektion (Filtered Backprojection) werden Abbildungsgrößen auf Basis von Pulsschwächung und Pulsgeschwindigkeit definiert. Die Anwendbarkeit der Ultraschall-Tomographie wird mit Messungen für Longitudinal- und Transversalwellen gezeigt. Während die Rekonstruktionen der Pulsgeschwindigkeit gute Ergebnisse liefert, schränken Ankoppelschwankungen die Bildqualität bei der Rekonstruktionen der Pulsschwächung ein. Als Ausblick werden Anordnungen für kurze Messzeiten vorgeschlagen.

1 Einleitung

Für die zerstörungsfreie Prüfung von Bauteilen aus Beton werden vor allem Verfahren eingesetzt, die auf der Ausbreitung von akustischen und elektromagnetischen Wellen beruhen. Durch die bildgebende Anwendung von Ultraschall-, Impact-Echound Radartechniken können der innere Aufbau von Prüfobjekten dargestellt und Fehler detektiert werden. Erhöhte Anforderungen an Lokalisierungsauflösung und -genauigkeit erfüllen insbesondere Ultraschallmessungen in Verbindung mit der SAFT-Rekonstruktion (Synthetic Aperture Focusing Technique) [1, 2]. Diese berechnet aus einseitig an der Betonoberfläche aufgenommenen Messungen hochauflösende Schnittbilder durch den Beton. In diesen Bildern zeichnen sich Strukturelemente wie Spannkanäle sowie Fehlstellen ab und können so detektiert und vermessen werden.

Bedingt durch den heterogenen Aufbau von Beton aus Zementmatrix, Zuschlag und Poren treten aber Effekte auf, die die Bildauswertung erschweren. So führt die Streuung der Ultraschallwellen an der Materialstruktur zu einer Überlagerung der

Empfangssignale mit Strukturrauschen. Diese Störungen werden vom SAFTAlgorithmus verringert, aber nicht völlig unterdrückt, so dass schwache Anzeigen und Feinheiten vom Bildrauschen verdeckt werden können.

Demgegenüber werden bei einfachen Transmissionsmessungen nur Amplitude und Laufzeit des zuerst eintreffenden Pulses ausgewertet. Dieser erreicht den Empfänger immer auf dem kürzesten Schallweg, so dass sich Einflüsse der Betonstruktur geringer auswirken. Durch die geringere Empfindlichkeit nimmt allerdings auch die Fähigkeit ab, Fehlstellen zu detektieren. Wie im Folgenden gezeigt werden soll, lässt sich mit Hilfe der Ultraschall-Tomographie in Transmission dennoch ein Abbildungssystem verwirklichen, das die vorliegende Prüfaufgabe löst.

2 Prüfaufgabe

Betonsäulen, also runde Stützen aus Beton, werden vor allem im Hochbau häufig eingesetzt. Um den Beton vor Zugspannungen bei Knick- und Scherbewegungen zu schützen, sind die Säulen meist mit ein oder zwei Bewehrungslagen aus Stahlstäben ("schlaffe Bewehrung", "Bewehrungseisen") versehen. Bild 1 zeigt zwei Betonsäulen mit Anschlussbewehrung zur Verankerung in der noch zu gießenden Decke.


Bild 1: Betonsäulen mit Anschlussbewehrung

Bild 2: Querschnitt einer Betonsäule mit schlaffer Bewehrung und Kiesnestern

Der Durchmesser der Säulen wird aus Gründen der Ästhetik und der Platzersparnis so gering wie möglich gehalten. Jede größere ungewollte Verringerung der Querschnittsfläche muss dann vermieden werden, da sie zu einer Verringerung der Tragfähigkeit führen würde. Bedingt durch den hohen Bewehrungsgrad treten aber gerade bei Betonsäulen Herstellungsfehler auf. Dies sind vor allem Kiesnester, bei denen Zementleim und feine Zuschläge den Zwischenraum zwischen größeren Zuschlägen nicht ausfüllen und unregelmäßige Hohlräume bilden. Sie treten im inneren Bereich der Säulen und vor allem auch zwischen den Bewehrungseisen auf (Bild 2), die bei zu geringem Abstand den Beton wie ein Sieb entmischen können. Kiesnester entstehen in Betonsäulen insbesondere auch dann, wenn diese nicht gerüttelt werden, wodurch Beton sonst entlüftet wird und Hohlräume in Innern geschlossen werden.

Ab einer gewissen Größe von, je nach Säulenquerschnitt, z. B. 10 cm Durchmesser sind Kiesnester nicht mehr tolerierbar. Die Aufgabe besteht daher darin, eine Prüftechnik zu entwickeln, die Kiesnester zuverlässig detektiert und ihre Lage und Größe abzuschätzen erlaubt. Die eingesetzte Technologie soll zumindest perspektivisch eine wirtschaftliche Prüfung durch kurze Prüfzeiten erlauben. Reflexionsverfahren wie Impuls/Echo scheiden aus zwei Gründen aus: Zum einen besitzen Kiesnester eine unregelmäßige, nur schwach reflektierende Oberfläche. Zum anderen sind starke Reflexionen der Bewehrung zu erwarten. Beides zusammen lässt keine gute Detektierbarkeit der Kiesnester erwarten. Es soll daher ein Transmissionsverfahren eingesetzt werden.

3 Funktionsprinzip der Ultraschall-Tomographie

Tomographie ist die Abbildung des Innern eines Objektes aus äußeren Messungen, meist in Transmission. Ein bekanntes Beispiel aus dem medizinischen Bereich ist die Computer-Tomographie mit Röntgenstrahlen. Das Funktionsprinzip der Tomographie soll anhand von Bild 3 erläutert werden [3]. Ein rundes Objekt sei in der dargestellten Schnittebene abzubilden. Auf zwei gegenüberliegenden Seiten des Objekts sind Zeilen von Sendern und Empfängern angeordnet, zwischen denen sich Wellen durch das Objekt ausbreiten. Es wird angenommen, dass sich die Wellen geradlinig wie Strahlen von Sender zu Empfänger ausbreiten. Die Verwendung eines einzelnen Sender-Empfänger-Paares, das von Messung zu Messung sukzessive verschoben wird, ist ebenfalls möglich. Für jeden Strahlengang wird ein Parameter gemessen, der die Objekteigenschaften entlang des Ausbreitungsweges integral charakterisiert. Im Ultraschallbereich sind dies zum Beispiel Laufzeit oder Schwächung des transmittierten Ultraschallsignals. Man erhält Abtastpunkte des kontinuierlichen Parameterverlaufs längs der Abtastlinie, der Projektion genannt wird. Wegen der Anordnung der Strahlen wird dieser Messaufbau auch Parallelstrahl-Projektion genannt. Nachdem alle Punkte der Projektion gemessen sind, werden Sender und Empfänger gemeinsam um das Objekt herum um einen Winkel Dj gedreht, und es wird erneut gemessen. Eine tomographische Messung besteht aus den nj Projektionen, die bei einer vollständigen Umdrehung der Sender-Empfänger-Anordnung gemessen wurden.


Bild 3: Zur Erläuterung des Fourier-Slice-Theorems

Zur Rekonstruktion des Parameterverlaufs im gemessenen Objektquerschnitt sind verschiedene Verfahren möglich. Die Methode der Rückprojektion (Backprojection) nutzt einen Zusammenhang, der als Fourier-Slice-Theorem bekannt ist [3]. Danach entspricht die Fouriertransformation der Projektion, die am Objekt unter dem Winkel j gemessen wurde, im Ortsfrequenzbereich des Objektes den Werten auf einer Linie unter demselben Winkel (Bild 3). Der Objektquerschnitt kann demnach rekonstruiert werden, wenn der Ortsfrequenzbereich des Objektes mit den n j fouriertransformierten Projektionen gefüllt und anschließend durch eine zweidimensionale inverse Fouriertransformation rücktransformiert wird. Aus rechentechnischen Gründen werden beim Abbildungsalgorithmus der gefilterten Rückprojektion (Filtered Backprojection) stattdessen die fouriertransformierten Projektionen im Ortsfrequenzbereich gefiltert, einzeln rücktransformiert, im Objektbereich "verschmiert" und interpolierend summiert [3]. Dieser Algorithmus der tomographischen Rekonstruktion aus Transmissionsmessungen ist vergleichbar mit der FT-SAFT-Rekonstruktion bei Impuls/Echo- Messungen [4].

4 Anpassung an Betonsäulen

Zur Anwendung auf das vorliegende Prüfproblem müssen die abzubildenden Objektparameter definiert werden. Außerdem ist es notwendig, die tomographische Messanordnung an die Geometrie anzupassen.

Der hier besprochene Tomographiealgorithmus berücksichtigt keine Beugungseffekte und setzt daher eine Schallausbreitung entlang von Strahlen voraus. Demgegenüber sind Kiesnester Hohlräume, die durch den großen Impedanzunterschied zu Beton praktisch keinen Schalldurchgang zulassen und so eine geradlinige Ausbreitung verhindern. Bei Kiesnestern üblicher Größe wird wegen der relativ großen Wellenlänge von Ultraschall in Beton (etwa 10 bis 80 mm) ein Teil der ausgesandten Pulsenergie am Hohlraum gebeugt und erreicht den Empfänger auf einem Umweg. Dabei wird der Puls verzögert und geschwächt. Beide Effekte lassen sich als Parameter verwenden, um die Objekteigenschaften für diesen Strahlengang zu beschreiben.

Dafür werden die realen, gemessenen Werte für Pulsschwächung a und Pulsgeschwindigkeit v dem geradlinigen Strahlengang zugeordnet (Bild 4).


Bild 4: Angepasste Messanordnung mit zugeordneten Abbildungsgrößen, Fächerstrahl-Geometrie und simuliertem äußeren Medium

Als Abbildungsgrößen werden Objektindizes definiert, die die Messgrößen auf deren Mittelwerte in der Querschnittsebene beziehen:

Objektindex Pulsschwächung:

Objektindex Pulsgeschwindigkeit:

Nach diesen Definitionen führen größere Pulsschwächungen und kleinere Pulsgeschwindigkeiten jeweils zu größeren Werten der Objektindizes. In der vorliegenden Implementierung wird OA logarithmisch ausgewertet. Die Mittelwerte werden unter der Annahme nicht zu großer Fehlstellen in einem iterativen Verfahren aus allen Messungen ermittelt.

Bei der Realisierung der Parallelstrahl-Geometrie aus Bild 3 entsteht die Schwierigkeit, dass der Zwischenraum zwischen Wandlern und Objektoberfläche anders als bei Röntgenstrahlen nicht leicht überbrückt werden kann (zu Luft-Ultraschall siehe Ausblick). Günstigere Voraussetzungen bietet die Fächerstrahl-Geometrie, bei der der Sendewandler bei allen Messungen dieselbe Position behält und direkt auf der Betonoberfläche angeordnet werden kann (Bild 4). Die Empfänger liegen mit gegenseitigen Abständen vom Fächerwinkel g auf einem Kreisbogen um den Sender. Für die Messergebnisse der Fächerstrahl-Geometrie existiert eine Umrechnung auf die Parallelstrahl-Geometrie [3], so dass derselbe Rekonstruktionsalgorithmus verwendet werden kann.

Allerdings liegt nur die Position des zentralen Empfangswandlers auf der Oberfläche der Säule, so dass eine vom Fächerwinkel g abhängige Strecke zu überbrücken bleibt. Als Lösung wird ein äußeres Medium mit vorgegebenen Eigenschaften simuliert. Dadurch können sämtliche Messpositionen auf die Betonoberfläche verlegt werden, wenn die Messergebnisse auf die Position auf dem Kreisbogen umgerechnet werden. Dies geschieht durch geometrische Berücksichtigung des Schallwegs im simulierten Medium, das durch seine Impedanz beschrieben wird. Durch die kreisförmige Objektgeometrie ändert sich der Schallweg mit dem Fächerwinkel g , was in die Berechnung von OV eingeht. Dagegen brauchte die Winkelabhängigkeit der Wandleramplituden nicht berücksichtigt zu werden, da sich die Auswirkungen von Richtcharakteristik und kürzerem Schallweg weitgehend aufhoben.

5 Messaufbau

Der prinzipielle Messaufbau entspricht Bild 4. Wie dort gezeigt, wurden für jeden Messwinkel j 11 Fächerwinkel g gemessen. Ein Beispiel für eine Abdeckung des Säulenquerschnitts mit Messlinien zeigt Bild 5 für 24 Messwinkel. Da der Randbereich noch etwas gering besetzt schien, wurde die Zahl der Messwinkel bei den Messungen auf 40 erhöht. Für eine vollständige Messreihe waren dann insgesamt 40 x 11 = 440 Durchschallungsmessungen erforderlich. Je Messung wurden Amplitude und Laufzeit aus der Einhüllenden des Empfangspulses bestimmt und für getrennte tomographische Rekonstruktionen genutzt.

Als Testkörper wurde ein Betonzylinder mit da = 380 mm Außendurchmesser verwendet, der als Ziel einen kreiszylindrischen Hohlraum mit einem Durchmesser von dz = 76 mm enthält (Bild 6).


Bild 5:
Beispiel für die Abdeckung des Säulenquerschnitts mit Messlinien

Bild 6: Betontestkörper mit Hohlraum als Ziel

Die Messungen wurden mit einem digitalen Niederfrequenz-Ultraschallgerät durchgeführt. Es wurden Messreihen mit Longitudinalwellen bei 250 kHz und mit vertikal polarisierten Transversalwellen bei 50 kHz aufgenommen.

6 Ergebnisse

Die Ergebnisse der tomographischen Rekonstruktionen werden in Bild 7 für Longitudinalwellen und in Bild 8 für Transversalwellen dargestellt. Die Bilder zeigen die rekonstruierten Objektindizes in linearer Amplitudenskalierung, und zwar jeweils links die der Pulsschwächung und rechts die der Pulsgeschwindigkeit.


Bild 7: Longitudinalwellen: Rekonstruktionsergebnisse für Pulsschwächung (links) und Pulsgeschwindigkeit (rechts)


Bild 8: Transversalwellen: Rekonstruktionsergebnisse für Pulsschwächung (links) und Pulsgeschwindigkeit (rechts)

In den Geschwindigkeitsbildern sind sowohl das Ziel als auch die Ränder des Testkörpers deutlich zu erkennen. Vor allem das Longitudinalwellenbild ist bei gutem Kontrast frei von Artefakten und eindeutig zu interpretieren. Dagegen werden Ziel und Testkörperränder in den Rekonstruktionen der Pulsschwächung nur verschoben bzw. punktuell abgebildet. Grund dafür sind die Ankoppelschwankungen der Ultraschallwandler, die sich stark auf die Messung der Schwächung, aber nur wenig auf die der Laufzeit auswirken. An der ungleichmäßigeren Abbildung der Geschwindigkeitsrekonstruktion der Transversalwellen lässt sich allerdings erkennen, dass die Ankopplung dieser Wandler auch Laufzeitschwankungen bewirkt.

Bei Angleichung der Impedanz des äußeren, simulierten Mediums entfällt die Anzeige des Testkörperrands, wodurch allerdings die Lokalisierung erschwert wird (ohne Abbildung).

7 Ausblick

Die Untersuchungen sollen an Testkörpern mit Bewehrung und unterschiedlich gelagerten Zielen fortgesetzt werden. Es wird erwartet, dass durch entsprechende Polarisation von Transversalwellen der Einfluss der Bewehrung gering gehalten werden kann.

Vor allem bei der Rekonstruktion der Pulsschwächung muss die Gleichmäßigkeit der Ankopplung verbessert werden. Arbeiten dazu sind bereits im Gange. Als relativer Parameter können auch spektrale Energierelationen der Empfangspulse verwendet werden [3], wodurch Ankoppelschwankungen ausgeglichen werden.

Kurze Messzeiten sind durch die Verwendung von speziellen Wandlern mit Luftankopplung möglich. In Vorversuchen in Zusammenarbeit mit dem Ingenieurbüro Dr. Hillger, Braunschweig, konnten die Empfangspulse aber noch nicht genügend sicher detektiert werden. Die erfolgreichen Versuche in Sende/Empfangs-Anordnung lassen aber eine Lösung möglich erscheinen. Erfolg versprechend erscheinen auch Anordnungen mit einer großen Zahl elektronisch umschaltbarer Wandler; Arbeiten dazu befinden sich in Vorbereitung.

Literatur

  1. M. Schickert, M. Krause, W. Müller: "Ultrasonic Imaging of Concrete Elements Using Reconstruction by Synthetic Aperture Focusing Technique". Journal of Materials in Civil Engineering 15 (2003) 235-246.
  2. M. Schickert: "Anwendung der SAFT-Rekonstruktion bei der Betonprüfung mit Ultraschall"; DACH-Jahrestagung 2000, Innsbruck, 29.-31.5.2000. Berlin: Deutsche Gesellschaft für Zerstörungsfreie Prüfung (DGZfP), 2000, Berichtsband 73, Bd.1, 537-546.
  3. A.C. Kak, M. Slaney: Principles of Computerized Tomographic Imaging. New York: IEEE Press, 1988.
  4. K. Mayer, R. Marklein, K.J. Langenberg, T. Kreutter: "Three-Dimensional Imaging System Based on Fourier Transform Synthetic Aperture Focusing Technique". Ultrasonics (1990) 241- 255.

Danksagung

Die Herren U. Tümmler und F. Wolfram haben umfangreiche Unterstützung bei der messtechnischen Umsetzung des Verfahrens geleistet.

STARTHerausgeber: DGfZPProgrammierung: NDT.net