DE102020107017B3

DE102020107017B3 - Verfahren und Vorrichtung zur zerstörungsfreien Untersuchung eines Prüfobjekts

Info

Publication number: DE102020107017B3
Application number: DE102020107017.9A
Authority: DE
Inventors: Florian Jonietz; Dr. Krankenhagen Rainer; Simon Altenburg
Original assignee: Bundesministerium fuer Wirtschaft und Energie
Current assignee: Bundesministerium fuer Wirtschaft und Energie
Priority date: 2020-03-13
Filing date: 2020-03-13
Publication date: 2021-07-22
Anticipated expiration: 2040-03-14

Abstract

Ein Verfahren (1000) zur zerstörungsfreien Untersuchung eines Prüfobjekts (10, 20) umfasst ein berührungsloses Aufbringen (1100) einer Energiemenge auf einen Oberflächenabschnitt (12, 22) des Prüfobjekts (10) in einen Beton aufweisenden Teil (11, 21) des Prüfobjekts, sodass eine auf den Oberflächenabschnitt (12, 22) aufgebrachte flächenspezifische Energiedichte zumindest in einer Teilfläche (13, 23) des Oberflächenabschnitts (12, 22), der von einem Rand des Oberflächenabschnitts beabstandet ist, im Wesentlichen konstant ist, ein Bestimmen (1200) eines Temperaturanstiegs (ΔT) der Teilfläche (13, 23), und ein Verwenden (1300) des Temperaturanstiegs (ΔT) und der flächenspezifischen Energiedichte (Q) zum Bestimmen einer thermischen Effusivität (ε) des Betons.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zur zerstörungsfreien Untersuchung eines Prüfobjekts, insbesondere von inhomogenen Prüfobjekten wie betonbasierten Bauwerken, z.B. Gebäuden, Straßen und Gehwegen oder Teilen davon wie Betonwänden und Betonelementen.
Beton ist eines der am häufigsten verwendeten Materialien in der Bauindustrie. Bislang werden Laboruntersuchungen wie das sogenannte Hot-Disc-Verfahren, das sogenannte Hot-Plate-Verfahren, oder eine Differenzkalorimetrie eingesetzt, um die thermischen Eigenschaften von Beton, von dem es viele verschiedene Arten gibt, zu ermitteln.
Dies bedeutet aber, dass bei Bestandsbauten, in denen Beton verbaut ist, praktisch immer eine Probenentnahme erfolgen muss, um die thermischen Eigenschaften des jeweils verwendeten Betons zu ermitteln. Die nachträgliche Bestimmung der thermischen Eigenschaften von verbautem Beton kann aus verschiedenen Gründen nötig sein. Hierbei ist insbesondere die oftmals gewünschte energetische Ertüchtigung von Altbauten zu nennen. Dafür sind im Rahmen der Bestandsaufnahme auch die thermischen Eigenschaften der dort verbauten Materialien zu ermitteln. Gerade bei Altbauten sind diese nicht oder nur mangelhaft dokumentiert und müssen daher experimentell bestimmt werden. Außerdem können sich die Eigenschaften mit der Zeit auch verändert haben.
Zudem wäre eine schnelle, kostengünstige und zerstörungsfreie Methode zur Bestimmung der thermischen Eigenschaften von verwendeten inhomogen Baumaterialen, insbesondere von Beton vor Ort auch für die Qualitätsprüfung von Neubauten wünschenswert.
Im Hinblick auf das oben Gesagte, schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Vorrichtung gemäß Anspruch 11 vor.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Verfahren zur zerstörungsfreien Untersuchung eines Prüfobjekts die Schritte berührungslose Aufbringen einer Energiemenge auf einen Oberflächenabschnitt eines Beton aufweisenden Teils des Prüfobjekts, sodass eine flächenspezifische Leistungsdichte der aufgebrachten Energiemenge zumindest für eine Teilfläche des Oberflächenabschnitts, der von einem Rand des Oberflächenabschnitts beabstandet ist, zumindest im Wesentlichen konstant ist, berührungsloses Bestimmen einer Temperaturänderung der Teilfläche, und Verwenden der Temperaturänderung und der flächenspezifischen Leistungsdichte und/oder einer mit der flächenspezifischen Leistungsdichte korrelierten Größe zum Bestimmen einer thermischen Effusivität des Betons.
Bei der mit der flächenspezifischen Leistungsdichte korrelierten Größe kann es sich insbesondere eine flächenspezifische Energiemenge handeln, d.h. die aufgebrachten Energiemenge/Fläche, die als zeitliches Integral der flächenspezifischen Leistungsdichte bestimmt werden kann.
Typischerweise besteht der betonaufweisende Teil des Prüfobjekts zumindest an der Oberfläche bzw. oberflächennah aus Beton, zum Beispiel zumindest bis zu einer Tiefe von einigen Zentimetern und/oder zumindest bis zu einer Tiefe, die einer maximalen (lateralen) Ausdehnung der Teilfläche oder sogar einer maximalen (lateralen) Ausdehnung des Oberflächenabschnitts entspricht.
Unter der Formulierung, dass „eine flächenspezifische Leistungsdichte einer Energiemenge für eine Fläche zumindest im Wesentlichen konstant ist“, wie sie vorliegend verwendet wird, soll verstanden werden, dass (beim Aufbringen der Energiemenge) die auf die Fläche aufgebrachte bzw. eingestrahlte flächenspezifische Leistungsdichte zumindest für einen gegebenen Zeitpunkt, typischerweise für alle Zeitpunkte während des Aufbringens der Energiemenge auf die Fläche um höchstens (maximal) 10 %, typischer höchstens 5 % und sogar noch typischer um höchstens 2 % variiert. Dabei kann es sich insbesondere um eine flächenspezifische Leistungsdichte einer auf die Fläche auftreffenden elektromagnetischen Strahlung handeln. Bei der flächenspezifischen Leistungsdichte der aufgebrachten Energiemenge handelt es sich typischerweise um eine flächenspezifische Leistungsdichte, die durch eine zum Aufbringen der Energiemenge bzw. Bestrahlen der Fläche verwendete Strahlungsquelle (inklusive einer ggf. vorhandenen Aufweitoptik) definiert bzw. vorgebbar ist. Außerdem kann das zeitliche Integral der auf die Fläche aufgebrachte bzw. eingestrahlte flächenspezifische Leistungsdichte, d.h. die flächenspezifischn Energiedichte ebenfalls zumindest im Wesentlichen konstant (im Sinne obiger Prozentwerte) sein.
Die durch die Fläche eingebrachte Leistungsdichte bzw. Energiedichte kann aufgrund der Inhomogenität auf der Größenskala der Korngröße von Betonzuschlägen des Betons bzw. von Poren aber größeren Schwankungen unterliegen.
Außerdem kann die für die Temperaturänderung relevante durch die Fläche eingebrachte Leistungsdichte bzw. Energiedichte typischerweise entsprechend des effektiven Reflexionsgrads innerhalb eines Oberflächenabschnitts anzupassen sein.
Das hierin beschriebenen Verfahren und die zugehörigen Vorrichtungen ermöglichen eine vergleichsweise einfache, schnelle, und genaue und damit auch eine besonders kostengünstige, zerstörungsfreie vor-Ort-Bestimmung von thermischen und anderen Eigenschaften (verbauter) inhomogener Baumaterialen, insbesondere von Beton.
Im Vergleich zu den bisher eingesetzten auf einer Probenentnahme vor Ort mit daran anschließender Labormessung basierenden Methoden bieten die hierin beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen insbesondere die Vorteile, dass keine Schädigung des Bauwerks/Bestandsbaus durch eine sonst erfolgende Probenentnahme auftreten kann, und dass die Vor-Ort-Messung schneller und/oder preiswerter erfolgen kann.
Dadurch werden zudem, falls gewünscht, auch mehr Messungen pro Zeit möglich, und damit eine detaillierte räumlich aufgelöste Untersuchung der Eigenschaften, insbesondere der thermischen Eigenschaften (verbauter) inhomogener Baumaterialen wie Beton ermöglicht.
Im Ergebnis ermöglichen die hierin beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen sogar eine zerstörungsfreie Untersuchung/Inspektion eines repräsentativen Bereichs des jeweiligen Prüfobjekts innerhalb maximal einer Minute.
Im Folgenden werden die Begriffe „(betonaufweisender) Teil des Prüfobjekts“ und „(betonaufweisender) Bereich des Prüfobjekts“ synonym verwendet.
Das Aufbringen der Energiemenge kann insbesondere mittels einer elektromagnetischen Strahlung bzw. mittels einer elektromagnetischen Strahlungsquelle erfolgen.
Außerdem erfolgt das Bestimmen der Temperaturänderung typischerweise fotothermisch bzw. mittels eines strahlungsbasierten Temperatursensors, insbesondere einer Wärmebildkamera oder eines Pyrometers, typischerweise eines defokussierten Pyrometers.
Insbesondere können das Aufbringen der Energiemenge und das Bestimmen der Temperaturänderung mittels elektromagnetischer Strahlung aus verschiedenen Wellenlängenbereichen des elektromagnetischen Spektrums erfolgen.
Mit anderen Worten können das Aufbringen der Energiemenge auf eine zu untersuchende Oberfläche und das Bestimmen der Temperaturänderung dieser Oberfläche typischerweise mittels aktiver Thermografie erfolgen.
Mittels aktiver Thermografie können die thermischen Effusivität und ggf. weitere Eigenschaften bzw. Parameter vor Ort besonders kostengünstig, schnell, genau und/oder mit besonders hoher Flexibilität in Bezug auf den Probenumfang vor Ort bestimmt werden.
Um das Verfahren besonders einfach, genau und reproduzierbar zu gestalten, kann vorgesehen sein, die dazu verwendete und weiter unten detaillierter beschriebene Vorrichtung bzw. deren Messkopf auf das zu untersuchende Prüfungsobjekt aufzusetzen. Dadurch können definierte bzw. gut vergleichbare geometrische Verhältnisse für die Messungen sichergestellt werden.
Aber auch in diesen Ausführungsformen kann daran anschließend die Energiemenge berührungslos auf- bzw. eingebracht werden und die Temperaturänderung mittels einer berührungslosen Temperaturmessung erfolgen.
Bei der Temperaturänderung kann es sich um einen Temperaturanstieg gegenüber einer Referenztemperatur der Teilfläche oder des Oberflächenabschnitts vor dem Aufbringen der Energiemenge handeln.
Dementsprechend kann das Bestimmen der Temperaturänderung ein Messen einer Referenztemperatur, eine Temperaturmessung während dem und/oder nach dem Aufbringen der Energiemenge (Erwärmen) und eine anschließende Differenzbildung zwischen der gemessenen Temperatur und der Referenztemperatur umfassen.
Typischerweise wird die Energiemenge für einen jeweiligen Messzyklus innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne und/oder gemäß eines vorgegebenen Zeitverlaufs eingebracht, z.B. als Puls vorgegebener Form, z.B. Länge (Zeitdauer) und (konstanter) Pulshöhe der flächenspezifischen Leistungsdichte, als periodisch mit der Zeit variierende flächenspezifische Leistungsdichte, z.B. als entsprechende Pulsabfolge oder als flächenspezifische Leistungsdichte, die gemäß einer Sinus- oder Kosinusfunktion der Zeit variiert, bzw. als (vorgegeben) mit der Zeit ansteigend oder (vorgegeben) mit der Zeit fallende flächenspezifische Leistungsdichte, z.B. als linear oder exponentiell mit der Zeit ansteigende oder fallende flächenspezifische Leistungsdichte.
Insbesondere können die Zeitspanne bzw. der Zeitverlauf der flächenspezifischen Leistungsdichte und die Geometrie des Probekörpers und/oder des Oberflächenabschnitts so gewählt sein, dass die resultierende (räumlich gemittelte) Temperaturänderung als Funktion der Zeit und der Effusivität zumindest in guter Näherung Modell-basiert, insbesondere mittels eines analytischen oder semi-analytischen Zusammenhangs bestimmt werden kann.
Dadurch kann die Bestimmung derthermischen Effusivität (Modell-basiert) besonders einfach bzw. wenig rechenintensiv, schnell, und/oder zuverlässig erfolgen.
Außerdem können in diesem Fall relativ wenige Messwerte für die Temperaturänderung, gegebenenfalls sogar ein einziger Messwert ausreichend dafür sein, die thermische Effusivität des Betons mit hinreichend guter Genauigkeit/Zuverlässigkeit zu bestimmen.
Typischerweise werden aber mehrere hintereinander bestimmte Temperaturänderungen der Teilfläche, z.B. zumindest 3, 5, 10 oder sogar 25, insbesondere ein zeitabhängiger Verlauf der bestimmten Temperaturänderungen zum Bestimmen der thermischen Effusivität des Betons verwendet. Die eigentliche Bestimmung der Effusivität kann dann, z.B. durch einen Fit der Messwerte mit einem geeigneten Modell, welches die Effusivität als freien Parameter enthält, erfolgen.
Da die Messungen der Temperaturänderungen der Teilfläche vergleichsweise schnell erfolgen können, z.B. mit einer Messfrequenz von einigen Hertz bis einigen 10 Hz oder sogar bis zu 100 Hz oder noch mehr, insbesondere dann, wenn eine Wärmebildkamera oder ein Pyrometer für die Temperaturmessung verwendet wird, wiegt die mögliche erhöhte Genauigkeit / Zuverlässigkeit bei der Bestimmen der thermischen Effusivität des Betons die verlängerte Messzeit häufig mehr als auf.
Zudem können aufgrund der typischerweise von der Größe und/oder Form des Prüfobjekts, des Oberflächenabschnitts und/oder der Teilfläche des Oberflächenabschnitts abhängenden thermischen Trägheit auch mehrere Messungen der Temperatur der Teilfläche mit Abständen von bis zu einer oder sogar mehreren Sekunden verwendet werden.
Die vorgegebene Zeitspanne des Aufbringens der Energiemenge kann relativ kurz sein, zum Beispiel maximal 10 Sekunden, maximal 5 Sekunden oder sogar nur maximal zwei Sekunden oder eine Sekunde betragen. Dies ermöglicht entsprechend kurze Messzeiten für die zerstörungsfreie Untersuchung des Prüfobjekts.
Typischerweise werden die Leistungsdichte und die Zeitspanne so gewählt, dass ein über die Teilfläche gemittelter Temperaturanstieg der Teilfläche oder sogar ein maximaler Temperaturanstieg der Teilfläche in einem Bereich von etwa 4 K bis etwa 20 K, typischer in einem Bereich von etwa 5 K bis etwa 15 K liegt.
Die zum Aufbringen der Energiemenge verwendete elektromagnetische Strahlung kann schmalbandig sein bzw. nur Wellenlängen außerhalb eines Wellenlängenbereich, in dem der Temperaturdetektor Strahlung (empfindlich) detektieren kann, aufweisen. In diesen Ausführungsbeispielen kann auch die Erwärmungsphase zur Bestimmung Temperaturänderung der Teilfläche (Messung der Temperatur der Teilfläche während des Aufbringens der Energiemenge) oder sogar nur die Erwärmungsphase verwendet werden.
Dies erlaubt besonders kurze Messzeiten.
Bei der zum Aufbringen der Energiemenge verwendeten elektromagnetischen Strahlung kann es sich insbesondere um eine Infrarotstrahlung, und/oder eine Strahlung handeln, die nur Wellenlängen von zumindest 3 µm aufweist.
Da sich Beton für Infrarotstrahlung mit einer Wellenlänge von zumindest 3 µm in guter Näherung als schwarzer Körper verhält, kann in diesen Ausführungsformen davon ausgegangen werden, dass die Reflexion beim Aufbringen der Energiemenge in guter Näherung vernachlässigbar ist. Dementsprechend ist eine Reflexionsmessung nicht erforderlich.
Dies kann auch dann der Fall sein, wenn der Oberflächenabschnitt des Prüfobjekts von einer typischerweise vorab auf den Beton aufgebrachten Schicht mit bekannten optischen Eigenschaften, insbesondere mit bekannten (wellenlängenabhängigen) Absorptionsgrad gebildet wird und der Wellenlängenbereich der zum Aufbringen der Energiemenge verwendeten elektromagnetischen Strahlung entsprechend ausgewählt wird.
Die eingebrachte flächenspezifische Energiedichte kann dann aus der elektromagnetischen Strahlungsleistung /-energie und dem Absorptionsgrad berechnet werden.
Alternativ dazu kann der Reflexionsgrad des Oberflächenabschnitts für die elektromagnetischen Strahlung gemessen werden und zur Bestimmung der eingebrachte flächenspezifische Energiedichte verwendet werden.
Außerdem kann vorgesehen sein, eine (aktuelle) Strahlungsleistung der elektromagnetischen Strahlung (verwendeten Strahlungsquelle) mit einem entsprechenden Leistungssensor zu bestimmen. Damit lassen sich sowohl Alterungseffekte der Strahlungsquelle als auch temporäre Verschmutzungen einer gegebenenfalls verwendeten Austrittsoptik bei einer Bestimmung der eingebrachten flächenspezifische Energiedichte korrigierend berücksichtigen. Alternativ dazu kann ein entsprechendes Referenztableau verwendet werden.
Die aufgebrachte flächenspezifische Leistungs- bzw. Energiedichte einer an die Teilfläche angrenzenden und/oder die Teilfläche umgebenden Fläche des Oberflächenabschnitts, insbesondere einer Komplementfläche des Oberflächenabschnitts zur Teilfläche kann zumindest im Wesentlichen der eingebrachten flächenspezifischen Energiedichte der Teilfläche entsprechen.
Dadurch lässt sich ein lateraler Wärmestrom beim Aufbringen der Energiemenge zumindest weitgehend verhindern bzw. für das Modell-basierte Bestimmen der thermischen Effusivität vernachlässigen.
Aus diesem Grund liegt auch der Flächenschwerpunkt des Oberflächenabschnitts typischerweise in der Teilfläche, entspricht ein Abstand des Flächenschwerpunkt der Teilfläche vom Flächenschwerpunkt des Oberflächenabschnitts typischerweise höchstens einem Fünftel oder sogar höchstens einem Zehntel einer Ausdehnung der Teilfläche, sind der Oberflächenabschnitt und die Teilfläche typischerweise geometrisch ähnlich zueinander, beispielsweise jeweils kreisförmig oder regelmäßige Vielecke, z.B. Quadrate, und/oder entspricht ein Flächeninhalt derTeilfläche typischerweise höchstens einem Fünftel oder sogar höchstens einem Zehntel eines Flächeninhalts des Oberflächenabschnitts. Es ist aber auch möglich, bspw. eine kreisförmige Teilfläche und einen quadratischen Oberflächenabschnitt vorzusehen.
Alternativ dazu kann im Modell die laterale Wärmediffusion beim Aufbringen einer anderen flächenspezifischen Energiedichte außerhalb der Teilfläche und/oder ungünstigeren geometrischen Verhältnisse auch berücksichtigt werden. Dies führt aber typischerweise zu einem komplexeren / aufwendigeren Fit beim Bestimmen der thermischen Effusivität.
Außerdem ist eine kleinste Ausdehnung der Teilfläche typischerweise mindestens fünfmal oder sogar mindestens zehnmal größer als eine Korngröße von Betonzuschlägen des Betons ist.
Dementsprechend kann zur Bestimmung der Effusivität von einem vereinfachten Modell mit gemittelter bzw. effektiver Effusivität ausgegangen werden.
Die Temperaturänderung der Teilfläche kann dementsprechend einer über die Teilfläche gemittelten Änderung der Temperatur entsprechen.
Insbesondere kann der Flächeninhalt der Teilfläche größer als 1 cm² und/oder kleiner als 10 cm² oder sogar kleiner als 5 cm² sein, und/oder eine Ausdehnung des Betons in einer zur Teilfläche senkrechten Richtung gleich oder größer als die Ausdehnung der Teilfläche sein.
Im Bereich von Kavitäten (offen oder dicht unter der Oberfläche) im Beton kann die Temperatur beim und nach dem Auf- bzw. Einbringen der Energiemenge vergleichsweise hoch sein (sogenannte hotspots) und/oder eine andere zeitliche Dynamik aufweisen.
Daher kann beim Bestimmen der (gemittelten) Temperatur der Teilfläche vorgesehen sein, nur Bereiche der Teilfläche zu berücksichtigen, deren Temperaturwerte unterhalb eines typischerweise von der Zeit und/oder der Energiemenge abhängigen Temperaturschwellenwerts liegen.
Gemäß einer Weiterbildung wird die bestimmte thermische Effusivität zum Bestimmen, typischerweise Berechnen einer weiteren Eigenschaft des Betons, die in jeweils charakteristischer Weise die thermische Effusivität des Betons beeinflussen, insbesondere einer Feuchte des Betons und/oder eines Ermüdungszustands des Betons, verwendet.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist eine tragbare Vorrichtung zur zerstörungsfreien Untersuchung eines Prüfobjekts einen Aufsatz mit einer in einer Ebene angeordnete, typischerweise darin liegende Öffnung zum zumindest im Wesentlichen strahlungsdichten Aufsetzen auf einen Oberflächenabschnitt des Prüfobjektes, eine im und/oder am Aufsatz angeordnete Strahlungsquelle, und einen im und/oder am Aufsatz angeordneten Detektor zur berührungslosen Temperaturmessung des Oberflächenabschnitts auf, sodass in der Ebene der Öffnung ein Bestrahlungsfeld der Strahlungsquelle ein Detektionsfeld des Detektors vollständig überdeckt, größer als das Detektionsfeld des Detektors ist, und eine flächenspezifische Energiedichte der Strahlungsquelle im Bestrahlungsfeld für einen Zeitpunkt während des Betriebs der Strahlungsquelle zumindest im Detektionsfeld des Detektors zumindest im Wesentlichen räumlich konstant ist.
Die vorliegende verwendete Formulierung, dass die Öffnung des Aufsatzes in einer Ebene liegt, soll insbesondere beschreiben, dass ein Rand der Öffnung, beispielsweise ein kreisförmiger, ellipsenförmige oder auch polygonale Rand (einer entsprechenden Öffnung) in der Ebene liegt und/oder die Ebene definiert.
Mit anderen Worten weist der Aufsatz typischerweise einen in der Ebene liegenden Rand auf, der die Öffnung umgibt und/oder die Öffnung definiert.
Unter der Formulierung, dass die „flächenspezifische Leistungsdichte der Strahlungsquelle im Bestrahlungsfeld für einen Zeitpunkt während des Betriebs der Strahlungsquelle zumindest im Detektionsfeld des Detektors zumindest im Wesentlichen räumlich konstant ist“, wie sie vorliegend verwendet wird, soll verstanden werden, dass die auf die Ebene im Detektionsfeld des Detektors auftreffende flächenspezifische Leistungsdichte für den gegebenen Zeitpunkt und/oder in einem vorgegebenen Zeitintervall um höchstens (maximal) 5 %, typischer höchstens 3 % und sogar noch typischer um höchstens ein 2 % (als Funktion des Ortes in der Ebene im Detektionsfeld) variiert.
Wie bereits oben erläutert wurde, kann die flächenspezifische Leistungsdichte im Bestrahlungsfeld aber eine (vorgegebene) Funktion der Zeit sein.
Unter der Formulierung „im Wesentlichen strahlungsdicht“, wie sie vorliegend verwendet wird, soll verstanden werden, dass weniger als 1%, noch typischer weniger als 0,5% oder sogar weniger als 0,2% einer von der Strahlungsquelle emitierten Strahlungsleistung, einer vom Prüfobjekt reflektierten Strahlungsleistung und/oder einer vom Prüfobjekt emittierten Strahlungsleistung zwischen dem Prüfobjekt und dem aufgesetzten Aufsatz und durch den Aufsatz entweichen kann.
Der Aufsatz kann von einem Gehäuse der Vorrichtung gebildet werden bzw. integraler Bestandteil des Gehäuses sein, aber auch als separates Element, dass mit einem Gehäuse der Vorrichtung verbunden ist, ausgebildet sein.
Gemäß einer Weiterbildung ist im und/oder am Aufsatz ein Sensor zur Messung der Reflexivität des Oberflächenabschnitts angeordnet. Das Detektionsfeld des Sensors überlappt in der Ebene der Öffnung mit dem Bestrahlungsfeld der Strahlungsquelle und liegt in der Ebene der Öffnung typischerweise innerhalb des Bestrahlungsfelds der Strahlungsquelle.
Typischerweise wird der Sensor zur Reflexionsmessung so angeordnet bzw. ausgerichtet, dass er einen möglichst hohen Anteil an reflektierter Strahlung auffängt, wenn der Aufsatz auf dem Prüfobjekt aufgesetzt ist.
Bei bekannter Leistungsdichte der Primärstrahlung der Strahlungsquelle (bekannter Strahlungsleistung) kann der am Prüfobjekt reflektierte Anteil durch Differenzbildung mit der vom Sensor gemessenen Leistungsdichte bestimmt werden.
Die Leistungsdichte der Primärstrahlung kann separat gemessen werden (ohne Reflexion durch das Prüfobjekt gemessen werden, zum Beispiel während einer Kalibrierung, insbesondere einer Werkskalibrierung.
Alternativ oder ergänzend kann im und/oder am Aufsatz ein Leistungssensor zum Bestimmen der (aktuellen) Strahlungsleistung der Strahlungsquelle vorgesehen sein.
Die Strahlungsquelle kann einen Laser, eine Halogenlampe oder ein LED-Array aufweisen oder daraus bestehen.
Außerdem kann die eine Strahlungsquelle eine Aufweitoptik aufweisen, mit der die Primärstrahlung des Lasers, der Halogenlampe oder des LED-Arrays auf die Ebene abgebildet werden kann.
Der Detektor kann eine Wärmebildkamera oder ein Pyrometer, insbesondere ein defokussiertes Pyrometers aufweisen.
Außerdem kann der Leistungssensor zum Messen einer Strahlungsleistung der Strahlungsquelle und/oder der Sensor zur Messung der Reflexivität des Oberflächenabschnitts eine jeweilige Fotodiode aufweisen.
Typischerweise weist die Vorrichtung eine Detektions- und Auswerteeinheit auf, die mit der Strahlungsquelle und dem Detektor verbunden ist.
Außerdem kann die Detektions- und Auswerteeinheit mit dem Leistungssensor zum Messen der Strahlungsleistung der Strahlungsquelle und/oder dem Sensor zur Messung der Reflexivität des Oberflächenabschnitts verbunden sein.
Typischerweise ist die Detektions- und Auswerteeinheit zudem eingerichtet, die hierin beschriebenen Verfahren auszuführen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Einzelheiten, Aspekte und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen. Darin zeigt:

1A eine Aufsicht auf eine Oberfläche eines Betonkörpers als Prüfobjekt mit eingezeichneten Oberflächenabschnitt und Teilfläche des Oberflächenabschnitts gemäß einem Ausführungsbeispiel;
1B Temperaturprofile entlang einer Linie des in 1A dargestellten Oberflächenabschnitts für drei verschiedene Zeitpunkte nach dem Bestrahlen des Oberflächenabschnitts mit einer Infrarotstrahlung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
1C eine mittlere Temperaturänderungen des in 1A dargestellten Oberflächenabschnitts und der Teilfläche des Oberflächenabschnitts gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2A eine Aufsicht auf eine Oberfläche eines weiteren Betonkörpers als Prüfobjekt gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2B eine gemessene Temperaturverteilung nach dem Bestrahlen eines Oberflächenabschnitts mit einer Infrarotstrahlung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2C mittlere Temperaturänderung zweier Teilflächen des in 2A dargestellten Oberflächenabschnitts sowie eine Fitkurve als jeweilige Funktion der Zeit gemäß einem Ausführungsbeispiel;
3A eine schematische Darstellung einer tragbaren Vorrichtung zur zerstörungsfreien Untersuchung eines Prüfobjekts gemäß einem Ausführungsbeispiel;
3B eine schematische Darstellung einer weiteren tragbaren Vorrichtung zur zerstörungsfreien Untersuchung eines Prüfobjekts gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
3C ein Blockschema eines zur zerstörungsfreien Untersuchung eines Prüfobjekts gemäß einem Ausführungsbeispiel.

Zur besseren Orientierung wird in einigen der Figuren zusätzlich ein kartesisches Koordinatensystem (x, y, z) gezeigt.
1A zeigt in einer Aufsicht eine Oberfläche eines Teils 11 eines Betonkörpers 10 als Prüfobjekt für eine zerstörungsfreien Untersuchung. Dabei entspricht der äußere gestrichelte Kreis 12 dem bei der Untersuchung mit einer Infrarotstrahlung bestrahlten Oberflächenabschnitt, d.h. dem Oberflächenabschnitt, auf den über die Infrarotstrahlung zur Erwärmung eine definierte (vorgegebene), zumindest im Wesentlichen konstante flächenspezifische Leistungsdichte (und damit auch Energiedichte) aufgebracht wird, und der innere gestrichelte Kreis 13 einer zentralen Teilfläche des Oberflächenabschnitts 12.
Wie aus den in 1B dargestellten Temperaturprofilen entlang der Linie b (entlang des in 1A horizontal verlaufenden Durchmessers b des Kreises 12) zu drei verschiedenen Zeitpunkten t₁, t₂, t₃ ersichtlich wird, erwärmt sich der Oberflächenabschnitt 12 aufgrund der Materialinhomogenitäten beim Bestrahlen mit der Infrarotstrahlung unterschiedlich stark und kühlt nach Beenden der Bestrahlung zum Zeitpunkt t₁ entsprechend wieder ab, wobei das zum Zeitpunkt t₁ näherungsweise vorhandene Rechteckprofil entsprechend der lateraler Wärmediffusion mit der Zeit zerfließt.
Inhomogene thermische Eigenschaften aufgrund verschiedener Betonbestandteile führen in 1B zu dem nicht-geradlinig verlaufenden Plateaus (Abweichung vom Rechteckprofil).
Mittels einer Mittelung über hinreichend große Bereiche können vergleichsweise glatte Temperaturverläufe erhalten werden, wie sie beispielsweise in 1C gezeigt werden. Dabei entspricht die untere gestrichelte Kurve einer (arithmetischen) Mittelung der Temperaturwerte im gesamten bestrahlten Oberflächenabschnitt 12 und die obere durchgezogene Kurve einer (arithmetischen) Mittelung der Temperaturwerte innerhalb der zentralen Teilfläche 13.
Da eine Modell-basierte Bestimmung der mittleren/effektiven thermischen Effusivität des Betons einfacher ist, wenn die lateraler Wärmediffusion zumindest in guter Näherung vernachlässigt werden kann, wird die Temperaturmittelung typischerweise für eine zentrale Teilfläche vorgenommen.
Dies soll im Folgenden detaillierter erläutert werden.
Das thermische Verhalten eines Materials wird im Wesentlichen durch zwei Parameter definiert: Wärmeleitfähigkeit k, die die Geschwindigkeit beschreibt, mit der Wärme durch das Material diffundiert, und dem Produkt aus spezifischer Wärmekapazität c und Materialdichte p, das den Temperaturanstieg des Materials bestimmt, wenn eine bestimmte Menge an Wärme (d.h. Wärmeenergie) aufgenommen wird. Weitere thermische Parameter können aus k und c abgeleitet werden: Die Geschwindigkeit, mit der ein Temperaturanstieg durch das Material fortschreitet, wird durch die Temperaturleitfähigkeit D bestimmt. Sie ist definiert als das Verhältnis zwischen der thermischen Leitfähigkeit k und dem Produkt aus spezifischer Wärmekapazität c und Materialdichte p: $D = \frac{k}{ρ c}$
Die auch als Wärmeeindringkoeffizient bezeichnete thermische Effusivität ε ist ein Maß für die Fähigkeit des Materials, Wärmeenergie mit seiner Umgebung auszutauschen. So fühlt sich beispielsweise beim Berühren zweier Materialien bei gleicher Temperatur (Raumtemperatur) das Material mit der höheren Effusivität kälter an als das Material mit der niedrigeren Effusivität, denn eine höhere Effusivität bedeutet, dass die Wärme der berührenden Hand mit höherer Geschwindigkeit von der Kontaktfläche in die Masse des Materials diffundiert, so dass die berührende Hand an der Kontaktfläche stärker abgekühlt wird. Dadurch wird die Temperatur beim Kontakt zwischen berührender Hand und Materialoberfläche niedriger. Die thermische Effusivität ε ist definiert als: $ε = \sqrt{k ρ c} .$
Damit kann das thermische Verhalten auch durch die beiden Parameter D und ε definiert werden, da k und c aus D und ε berechnet werden können: $k = ε \cdot \sqrt{D}$
$c = \frac{ε}{\sqrt{D} \cdot ρ}$
Bei Messung in Reflexionsanordnung, d.h. bei nur einseitiger Zugänglichkeit des zu untersuchenden Volumens, kann nur der Parameter Effusivität bestimmt werden. Dies erfordert jedoch die möglichst genaue Kenntnis der eingebrachten Energiedichte bzw. Leistungsdichte, wie im Folgenden anhand der unten gezeigten Gleichung 1 erläutert wird.
Aus Gründen der Einfachheit und Übersichtlichkeit wird detailliert nur auf ein einfaches Modell mit Dirac-Impulserwärmung für ein opakes Material eingegangen, für das der flächenspezifische Wärmeeintrag (Energiemenge) Q durch die Oberfläche bekannt ist, beispielsweise dadurch, dass sowohl die zur Erwärmung verwendete auftreffende Strahlungsleistung als auch der Reflexionskoeffizient der Oberfläche bekannt sind. Wenn man (laterale) Wärmeverluste vernachlässigt, lässt sich bei hinreichend hoher Probendicke die zeitabhängige Temperaturverringerung nach dem Wärmeeintrag ΔT(t)=T(t)-T₀ mit folgender einfacher Gleichung (1) beschreiben: $Δ T (t) = \frac{Q}{\sqrt{π} \cdot ε \cdot \sqrt{t}}$
Bei gegebener Energiedichte Q als Eingangsparameter kann die Effusivität ε als einziger Anpassungsparameter aus einer Anpassung / mittels eines Fit des Temperaturverlaufs bestimmt werden. Dabei können, wie oben bereits erläutert wurde, auch wenige Messwerte ausreichend sein. Im Fall nur eines Messwerts ΔT(t') für einen Zeitpunkt t' ist Gleichung 1 nach ε umzustellen und durch Einsetzen des Messwerts zu lösen.
Diesen Betrachtungen gelten analog auch für andere inhomogene Materialien mit Einschlüssen bzw. Inhomogenitäten, die jeweils klein gegenüber der thermografisch untersuchten Teilfläche ist.
Für andere Zeitverläufe der Erwärmung mittels einer Strahlung hängt die zeitabhängige Temperaturveränderung typischerweise nicht nur von der (integralen) flächenspezifischen Energiedichte (Q = ∫Fdt), sondern der übertragenen flächenspezifischen Leistungsdichte F(t) ab.
Wie im Folgenden mit Bezug zu den Figuren 2A bis 2C erläutert wird, werden typischerweise aber eine Reihe von Messwerten zur Bestimmung der Effusivität ε von Beton verwendet.
Dabei zeigt 2A eine Aufnahme einer Oberfläche eines Teils 21 einer Betonschalung 20 und 2B ein mit einer IR-Wärmebildkamera aufgenommenes Wärmebild, das die Temperaturerhöhung nach dem Erwärmen mit einer Infrarotstrahlungsquelle (Diodenlaser, der mit einer nahen Infrarotwellenlänge von 940 nm arbeitet) repräsentiert. Die verwendete IR-Wärmebildkamera ist im Spektralbereich zwischen 3 und 5 µm Wellenlänge empfindlich und damit deutlich von der Laserwellenlänge getrennt. Somit wird nur das thermische Signal der Probe erfasst, das nicht durch die Strahlung der Wärmequelle gestört wird. Der Laserstrahl des Diodenlaser wird durch ein Linsensystem homogen aufgeweitet und konzentriert sich auf die dargestellte quadratische Fläche 22 auf der Betonoberfläche.
Wie anhand der doppelt logarithmischen Darstellung der Temperaturänderung ΔT(t) als Funktion der Zeit t in 2C ersichtlich wird, folgt Kurve b im Bereich von 1 bis 10 Sekunden in sehr guter Näherung dem erwarteten Verlauf (ΔT(t)^∼1/√t) gemäß Gleichung (1). Kurve b wurde durch (arithmetische) Mittelung der Temperaturänderung (<ΔT(t,x,y)>_x,y) im Teilbereich 23 des bestrahlten Oberflächenabschnitts 24 als Funktion der Zeit t mit einer zeitlichen Auflösung von 40 Hz bestimmt.
Die zusätzlich dargestellte Fitkurve c entspricht einer thermischen Effusivität von ε=1867J/(Km2√s). Der so ermittelte Wert der thermischen Effusivität ε stimmt sehr gut (besser als 2 %) mit einem Wert für die thermischen Effusivität ε über ein, wenn ein komplexeres Modell verwendet und zudem auch die Temperaturänderung in der Erwärmungsphase bis zum Zeitpunkt t_h mitberücksichtigt wird (analog zur Referenz [1]).
Außerdem wird anhand der 2B, 2C deutlich, dass der Temperaturverlauf in den Hotspots 24 komplexer ist. Die Kurve a in 2C zeigt die gemittelte Temperaturänderung für den Bereich 24 in 2B, der einer offenen Pore in 2A entspricht.
Daher kann es günstig sein, die Bereiche vergleichsweise hoher Temperaturen von der Mittelung auszuschließen, um eine Verfälschung der gesuchten Effusivität für den untersuchten Beton zu vermeiden. Alternativ kann auch eine schlechte Qualität des Fits als Ausschlusskriterium verwendet werden.
Insgesamt zeigt sich, dass die thermischen Effusivität von Beton mit für viele praktische Fragen wie die energetische Ertüchtigung von Bestandsbauten mit hinreichend hoher Zuverlässigkeit und Genauigkeit auch ohne Berücksichtigung des komplexen Oberflächenverhaltens von Beton ermittelt werden kann.
Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Auswertung auf eine relativ kurze, gut abschätzbare Zeitspanne um die Erwärmungsphase herum oder nach der Erwärmungsphase beschränkt wird.
Eine Analyse des Langzeitverhaltens der Temperaturänderung ΔT(t) nach Erwärmung ist zwar ebenfalls möglich, aber auch komplexer, da dann die (lateralen) Wärmeverluste und gegebenenfalls die endliche Probendicke (senkrecht zur bestrahlten Oberfläche) mit zu berücksichtigen sind.
Im Folgenden werden tragbare Vorrichtungen genauer erläutert, mit denen die oben erläuterten Verfahren zur zerstörungsfreien Untersuchung von Prüfobjekten wie Wänden, Mauern und anderen Betonelementen ausgeführt werden können.
3A zeigt eine schematische Darstellung einer tragbaren Vorrichtung 100 zur zerstörungsfreien Untersuchung von Prüfobjekten. In dem exemplarischen Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung 100 ein Gehäuse 101 auf, an dem zwei Handgriffe 102 zum Tragen und Aufsetzen der Vorrichtung 100 und ein kegelstumpfförmigen Aufsatz 105 befestigt sind.
Im Inneren des Gehäuses 201 können eine nichtdargestellte Detektions- und Auswerteeinheit angeordnet sein, die mit einem an der Außenseite des Gehäuses 101 angeordneten Display 103 zur Anzeige von Ergebnissen und/oder Bedienelementen 104 verbunden sein kann. Das Display 103 kann auch als Touchscreen ausgeführt sein.
Im Aufsatz 105 sind eine Strahlungsquelle 130, z.B. ein Diodenlaser und eine Aufweitoptik, sowie ein Detektor 150 zur berührungslosen Temperaturmessung eines Oberflächenabschnitts eines mit der Strahlungsquelle 130 erwärmbaren, nicht dargestellten Prüfobjekts in der von der kreisförmigen Öffnung 106 definierten Ebene z=0, z.B. eine IR-Wärmebildkamera angeordnet.
Wie anhand des exemplarisch kegelförmig dargestellten Bestrahlungsfeldes 131 der Strahlungsquelle 130 und des exemplarisch kegelförmig dargestellten Detektionsfeldes 151 des Detektors 150 in 3A ersichtlich wird, sind die Zentralachsen des Bestrahlungsfeldes 131 und des Detektionsfeldes 151 typischerweise geneigt zueinander und/oder die Strahlungsquelle 130 und der Detektor 150 so angeordnet, dass der Detektor 150 nicht in Bestrahlungsfeld 131 der Strahlungsquelle liegt (und damit primäre elektromagnetischen Strahlung der Strahlungsquelle 130 den Detektor 150 nicht erreichen kann).
Außerdem ist das Detektionsfeld 151 in der Ebene z=0 typischerweise zumindest im Wesentlichen zentral innerhalb des Bestrahlungsfeldes 131 angeordnet und vom Bestrahlungsfeld 131 vollständig umgeben.
Insbesondere können die Flächenschwerpunkte des Bestrahlungsfeldes 131 und des Detektionsfeldes 151 in der Ebene z=0 zusammenfallen, zumindest aber ist deren Abstand voneinander typischerweise deutlich geringer als eine horizontale Ausdehnung des Detektionsfeldes 151, zum Beispiel geringer als ein Zehntel oder Zwanzigstel des (effektiven) Durchmessers des Detektionsfeldes in der Ebene z=0.
Typischerweise ist im Aufsatz 105 zusätzlich ein Sensor 170 zur Messung eines vom Oberflächenabschnitt des Prüfobjekts reflektierten Anteils einer Primärstrahlung der Strahlungsquelle 130 angeordnet, zum Beispiel eine Fotodiode.
Außerdem kann im Aufsatz 105 zusätzlich ein nicht-dargestellter Leistungssensor zum Messen einer primären Strahlungsleistung der Strahlungsquelle 130 angeordnet sein, zum Beispiel eine (weitere) Fotodiode. Beispielsweise kann der Leistungssensor beweglich im Aufsatz 105 angeordnet sein, sodass er bei Bedarf (zur Messung der Primärleistung) in den Strahlengang bzw. das Bestrahlungsfeld 131 der Strahlungsquelle 130 bewegt werden kann.
3B zeigt eine weiteren tragbaren Vorrichtung 200 zur zerstörungsfreien Untersuchung von Prüfobjekten, die ähnlich wie die Vorrichtung 100 aufgebaut ist. Jedoch bildet das Gehäuse 201 der Vorrichtung 200 den mit Handgriffen 202 versehenen Aufsatz, in dem eine entsprechende Strahlungsquelle 230, sowie ein Detektor 250 und optional ein Sensor 270 zur Messung der Reflexivität und/oder ein Leistungssensor zur Messung einer primären Strahlungsleistung der Strahlungsquelle 230 angeordnet sind.
In dem in 3B dargestellten exemplarischen Ausführungsbeispiel kann die Strahlungsquelle 230 von einem LED-Array oder mehreren Halogenlampen gebildet werden.
Typischerweise ist auch das Detektionsfeld 251 des Detektors 250 in der Ebene z=0 typischerweise zumindest im Wesentlichen zentral innerhalb des Bestrahlungsfeldes 231 der Bestrahlungsquelle(n) 230 angeordnet und vom Bestrahlungsfeld 131 vollständig umgeben.
Im Gegensatz zur Vorrichtung 100 wird im Ausführungsbeispiel gemäß 3B die Steuerung und Auswertung durch eine externe Detektions- und Auswerteeinheit vorgenommen, die mit der Vorrichtung 200 über ein Kabel 207 verbunden sein kann.
Alternativ dazu kann die externe Detektions- und Auswerteeinheit auch über eine drahtlose Verbindung mit der Vorrichtung 200 verbunden sein.
Bei der externen Detektions- und Auswerteeinheit kann es sich um einen tragbaren Computer, zum Beispiel einen Laptop, einen Tablett-PC oder auch ein Smartphone handeln.
Die interne oder externe Detektions- und Auswerteeinheit ist typischerweise mit der der jeweiligen Strahlungsquelle(n) 130, 230, dem Detektor 150, 250, und typischerweise mit dem Leistungssensor und/oder dem Sensor 170, 270 verbunden und eingerichtet, die hierin beschriebenen Verfahren zumindest teilweise auszuführen.
Insbesondere ist die interne oder externe Detektions- und Auswerteeinheit typischerweise eingerichtet, die in 3C als Blockschema dargestellten Verfahren zur zerstörungsfreien Untersuchung eines Prüfobjekts auszufüllen.
In einem Block 1100 wird zur Erwärmung eine Energiemenge berührungslos, insbesondere mittels einer elektromagnetischen Strahlung auf einen Oberflächenabschnitt des Prüfobjekts in einen Beton aufweisenden Teil des Prüfobjekts aufgebracht, wobei eine auf den Oberflächenabschnitt aufgebrachte flächenspezifische Energiedichte der Energiemenge zumindest in einer Teilfläche des Oberflächenabschnitts, der von einem Rand des Oberflächenabschnitts beabstandet ist, zumindest im Wesentlichen konstant ist.
In einem weiteren Block 1200 erfolgt ein berührungsloses Bestimmen einer Temperaturänderung der Teilfläche.
Danach kann in einem Block 1300 auf Basis der flächenspezifischen Energiedichte und der bestimmten Temperaturänderung eine thermischen Effusivität des Betons ermittelt werden.
Dies erfolgt typischerweise Modell-basiert.
Schließlich kann in einem Block 1400 die im Block 1300 ermittelte thermische Effusivität zum Bestimmen einer weiteren Eigenschaft des Betons, insbesondere einer Feuchte des Betons und/oder eines Ermüdungszustands des Betons verwendet werden.
Außerdem kann vorgesehen sein, in einem Block 1050 einen Reflexionsgrad des Oberflächenabschnitts für die elektromagnetischen Strahlung zu ermitteln. Dies kann vorab (vor dem berührungslosen Aufbringen der Energiemenge in Block 1100) aber auch nach dem berührungslosen Bestimmen der Temperaturänderung in Block 1200 erfolgen.
Bevor die Energiemenge in Block 1100 eingebracht wird, wird typischerweise eine der hierin beschriebenen Vorrichtungen auf das Prüfobjekt aufgesetzt.
Weiterhin kann vorgesehen sein, vor dem Aufbringen der Energiemenge im Block 1100 in einem Block 1055 eine Schicht mit bekannten optischen Eigenschaften auf den Beton aufzubringen.
Dies kann beispielsweise durch Aufsprühen einer geeigneten möglichst stumpfen Farbe erfolgen.
Wie in 3C durch die Strich-Punkt-Pfeile dargestellt wird, können die Blöcke 1100-1300 bzw. 1100-1400 mehrfach ausgeführt werden, zum Beispiel für verschiedene Oberflächenabschnitte des Prüfobjekts.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Verfahren zur zerstörungsfreien Untersuchung eines Prüfobjekts, insbesondere eines Bauwerks, die Schritte: Aufbringen einer Energiemenge auf einen Oberflächenabschnitt eines inhomogenen Bereichs des Prüfobjekts, insbesondere eines inhomogenen und/oder aus einem porösem Material bzw. Baustoff wie Beton zumindest im Wesentlichen bestehenden Bereichs, typischerweise berührungslos, insbesondere mittels einer elektromagnetischen Strahlung, sodass eine flächenspezifische Energiedichte und/oder eine flächenspezifische Leistungsdichte der aufgebrachten Energiemenge zumindest für eine Teilfläche des Oberflächenabschnitts, der von einem Rand des Oberflächenabschnitts beabstandet ist, zumindest im Wesentlichen konstant ist; Bestimmen einer Temperaturänderung der Teilfläche, insbesondere eines Temperaturverlaufs (während und/oder nach dem Aufbringen der Energiemenge) der Teilfläche, typischerweise berührungslos, insbesondere fotothermisch und/oder mittels eines strahlungsbasierten Temperatursensors; und Verwenden der Temperaturänderung bzw. des Temperaturverlaufs und der flächenspezifischen Leistungsdichte oder einer mit der flächenspezifischen Leistungsdichte korrelierten Größe, insbesondere der flächenspezifischen Energiedichte zum Bestimmen einer thermischen Effusivität des inhomogenen Bereichs und/oder des inhomogenen Baustoffs.
Das Verwenden der flächenspezifischen Leistungsdichte oder der mit der flächenspezifischen Leistungsdichte korrelierten Größe kann die Bestimmung einer jeweiligen durch die Teilfläche des Oberflächenabschnitts eingebrachten flächenspezifischen Größe umfassen, insbesondere durch eine Berücksichtigung einer bekannten oder durch eine integrierte Messung bestimmte Reflektivität des Oberflächenabschnitts des Oberflächenabschnitts im Spektralbereich der elektromagnetischen Strahlung aufweisen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Verfahren zur zerstörungsfreien Untersuchung eines Prüfobjekts, insbesondere eines Bauwerks, die Schritte: Bestrahlen eines Oberflächenabschnitts eines Bereichs des Prüfobjekts mit einer elektromagnetischen Strahlung, insbesondere eines inhomogenen und/oder aus einem porösem Material bzw. Baustoff wie Beton zumindest im Wesentlichen bestehenden Bereichs, wobei eine flächenspezifische Energiedichte und/oder eine flächenspezifische Leistungsdichte der elektromagnetischen Strahlung beim Bestrahlen zumindest an einer Teilfläche des Oberflächenabschnitts, der von einem Rand des Oberflächenabschnitts beabstandet ist, zumindest im Wesentlichen konstant ist; Messen einer Temperaturänderung der Teilfläche, insbesondere eines Temperaturverlaufs (während und/oder nach dem Bestrahlen) der Teilfläche mittels eines strahlungsbasierten Temperatursensors; und Bestimmen einer thermischen Effusivität des Prüfobjekts mittels Anpassen einer erwarteten Temperaturänderung bzw. eines erwarteten Temperaturverlaufs, die bzw. der in einem Model von der thermischen Effusivität und der flächenspezifischen Leistungsdichte und/oder einer mit der flächenspezifischen Leistungsdichte korrelierten Größe, insbesondere einer beim Bestrahlen (gemäß vorbekannten oder gemessenen Reflexionsgrads des Oberflächenabschnitts) eingebrachten flächenspezifischen Leistungsdichte und/oder einer beim Bestrahlen eingebrachten flächenspezifischen Energiedichte abhängt, an die gemessene Temperaturänderung bzw. den gemessenen Temperaturverlauf.
Die vorliegende Erfindung wurde anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Diese Ausführungsbeispiele sollen keinesfalls als einschränkend für die vorliegende Erfindung verstanden werden. Insbesondere können einzelne Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele in andere Ausführungsformen übernommen werden oder verschiedene Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden, solange sich die kombinierten Merkmale nicht technisch bedingt gegenseitig ausschließen.
Bezugszeichenliste

10, 20: Prüfobjekt / Betonwand
11, 21: Beton aufweisender Teil des Prüfobjekts
12,22: Oberflächenabschnitt
13, 23: Teilabschnitt des Oberflächenabschnitt
100, 200: Tragbare Vorrichtung
101, 201: Gehäuse
102: Handgriff
103: Display/Anzeige
104: Bedienelemente
105: Aufsatz
106: Öffnung des Aufsatzes
130, 230: Strahlungsquelle
131, 231: Bestrahlungsfeld der Strahlungsquelle
150, 250: Detektor
151, 251: Detektionsfeld des Detektors
170, 270: Sensor zur Messung der Reflexivität / eines vom Oberflächenabschnitt des Prüfobjekts reflektierten Anteils einer Primärstrahlung der Strahlungsquelle
207: Verbindungskabel
E: Ebene
>=1000: Verfahrensschritte

Referenzenliste

[1] A. Salazar, A. Mendioroz, E. Apinaniz, C. Pradere, F. Noel, and J. C. Batsale, „Extending the flash method to measure the thermal diffusivity of semitransparent solids", Meas Sci Technol, vol. 25, no. 3, Mar 2014

Claims

Verfahren (1000) zur zerstörungsfreien Untersuchung eines Prüfobjekts (10, 20), aufweisend: - berührungsloses Aufbringen (1100) einer Energiemenge auf einen Oberflächenabschnitt (12, 22) eines Beton aufweisenden Teils (11) des Prüfobjekts (10), sodass beim Aufbringen der Energiemenge eine flächenspezifische Leistungsdichte zumindest für eine Teilfläche (13, 23) des Oberflächenabschnitts (12, 22), der von einem Rand des Oberflächenabschnitts beabstandet ist, im Wesentlichen konstant ist; - berührungsloses Bestimmen (1200) einer Temperaturänderung (ΔT) der Teilfläche (13, 23); und - Verwenden (1300) der Temperaturänderung (ΔT) und der flächenspezifischen Leistungsdichte und/oder einer mit der flächenspezifischen Leistungsdichte korrelierten Größe zum Bestimmen einer thermischen Effusivität (ε) des Betons.
Verfahren (1000) nach Anspruch 1, wobei die mit der flächenspezifischen Leistungsdichte korrelierte Größe eine flächenspezifische Energiemenge ist, wobei das Aufbringen (1100) der Energiemenge innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne (Δt), gemäß eines vorgegebenen Zeitverlaufs mittels einer elektromagnetischen Strahlung erfolgt, wobei beim Aufbringen (1100) der Energiemenge die Leistungsdichte, ein zeitlicher Verlauf der Leistungsdichte und/oder die Zeitspanne so gewählt werden, dass ein über die Teilfläche (13, 23) gemittelter Temperaturanstieg (ΔT_max) in einem Bereich von etwa 4 K bis 20 K liegt, typischer in einem Bereich von etwa 5 K bis 15 K liegt, und/oder wobei das Bestimmen (1200) des Temperaturänderung (ΔT) fotothermisch und/oder mittels eines strahlungsbasierten Temperaturdetektors (150, 250), insbesondere einer Wärmebildkamera oder eines Pyrometers, typischerweise eines defokussierten Pyrometers erfolgt.
Verfahren (1000) nach Anspruch 2, wobei die elektromagnetische Strahlung schmalbandig ist, wobei der Temperaturdetektor (150, 250) unempfindlich in einem Wellenlängenbereich der elektromagnetischen Strahlung ist, wobei die elektromagnetische Strahlung eine Infrarotstrahlung ist, und/oder wobei die elektromagnetische Strahlung nur Wellenlängen von zumindest 3 µm aufweist.
Verfahren (1000) nach Anspruch 2 oder 3, wobei der Oberflächenabschnitt (12, 22) des Prüfobjekts (10, 20) von einer auf den Beton aufgebrachten Schicht mit bekannten optischen Eigenschaften gebildet wird, wobei die elektromagnetische Strahlung eine Wellenlänge aufweist, für die ein Absorptionsgrad, ein Reflexionsgrad und/oder ein Emissionsgrad des Oberflächenabschnitts (12, 22) bekannt sind, und/oder umfassend Aufbringen (1055) der Schicht auf den Beton vor dem Aufbringen (1100) der Energiemenge.
Verfahren (1000) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, weiter aufweisend: - Messen (1050) eines Reflexionsgrads des Oberflächenabschnitts (12, 22) für die elektromagnetischen Strahlung; - Bestimmen einer Strahlungsleistung der elektromagnetischen Strahlung; und/oder - Verwenden der Strahlungsleistung, des Absorptionsgrads und/oder des Reflexionsgrads des Oberflächenabschnitts (12, 22) zum Bestimmen der eingebrachten flächenspezifischen Energiedichte (Q).
Verfahren (1000) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine eingebrachte flächenspezifische Energiedichte (Q) einer an die Teilfläche (13, 23) angrenzenden und/oder die Teilfläche (13, 23) umgebenden Fläche des Oberflächenabschnitts (12, 22), insbesondere einer Komplementfläche des Oberflächenabschnitts (12, 22) zur Teilfläche (13, 23) zumindest im Wesentlichen der eingebrachten flächenspezifischen Energiedichte (Q) der Teilfläche (13, 23) entspricht.
Verfahren (1000) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Flächenschwerpunkt des Oberflächenabschnitts (12, 22) in der Teilfläche (13, 23) liegt, wobei ein Abstand eines Flächenschwerpunkt der Teilfläche (13, 23) vom Flächenschwerpunkt des Oberflächenabschnitts (12, 22) höchstens einem Fünftel oder sogar höchstens einem Zehntel einer Ausdehnung der Teilfläche (13, 23) entspricht, wobei der Oberflächenabschnitt (12, 22) und die Teilfläche (13, 23) geometrisch ähnlich zueinander sind, wobei der Oberflächenabschnitt (12, 22) und die Teilfläche (13, 23) jeweils kreisförmig sind, wobei der Oberflächenabschnitt (12, 22) und die Teilfläche (13, 23) regelmäßige Vielecke sind, wobei ein Flächeninhalt der Teilfläche (13, 23) höchstens einem Fünftel oder sogar höchstens einem Zehntel eines Flächeninhalts des Oberflächenabschnitts (12, 22) entspricht, wobei eine kleinste Ausdehnung der Teilfläche (13, 23) mindestens fünfmal oder sogar mindestens zehnmal größer als eine Korngröße von Betonzuschlägen des Betons ist, wobei der Flächeninhalt der Teilfläche (13, 23,) größer als 1 cm² und/oder kleiner als 10 cm² oder sogar kleiner als 5 cm² ist, wobei eine Ausdehnung des Betons in einer zur Teilfläche (13, 23) senkrechten Richtung gleich oder größer als die Ausdehnung der Teilfläche (13, 23) ist, und/oder wobei die Temperaturänderung (ΔT) der Teilfläche (13, 23) einer über die Teilfläche (13, 23) gemittelten Änderung der Temperatur entspricht.
Verfahren (1000) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mehrere hintereinander bestimmte Temperaturänderungen (ΔT) der Teilfläche (13, 23), insbesondere ein zeitabhängiger Verlauf der bestimmten Temperaturänderungen (ΔT(t)) zum Bestimmen der thermischen Effusivität (ε) des Betons verwendet werden, wobei das Bestimmen der jeweiligen Temperaturänderung (ΔT) ein Bestimmen einer Temperatur (T) der Teilfläche (13, 23) während und/oder nach dem berührungslosen Aufbringen (1100) der Energiemenge, und/oder eine Differenzbildung (ΔT=T-T_r) der Temperatur (T) der Teilfläche (13, 23) zu einer Referenztemperatur (T_r) der Teilfläche (13, 23) vor dem berührungsloses Aufbringen (1100) der Energiemenge umfasst, und/oder wobei beim Bestimmen der Temperatur (T) der Teilfläche (13, 23) nur Bereiche der Teilfläche (13, 23) berücksichtigt werden, deren Temperaturwerte unterhalb eines typischerweise von der Zeit (t) und/oder der Energiemenge abhängigen Temperaturschwellenwerts liegen.
Verfahren (1000) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bestimmen der thermischen Effusivität (ε) des Betons Modell-basiert erfolgt.
Verfahren (1000) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter aufweisend: - Verwenden (1400) der thermischen Effusivität (ε) zum Bestimmen einer weiteren Eigenschaft des Betons, insbesondere einer Feuchte des Betons und/oder eines Ermüdungszustands des Betons.
Tragbare Vorrichtung (100, 200) zur zerstörungsfreien Untersuchung eines Prüfobjekts (10, 20), aufweisend: - einen Aufsatz (105, 201), der eine in einer Ebene (E) angeordnete Öffnung (106) aufweist, zum strahlungsdichten Aufsetzen auf einen Oberflächenabschnitt (12, 22) des Prüfobjektes (10, 20), - eine im und/oder am Aufsatz (105, 201) angeordnete Strahlungsquelle (130, 230); und - einen im und/oder am Aufsatz (105, 201) angeordneten Detektor (150, 250) zur berührungslosen Temperaturmessung des Oberflächenabschnitts (12, 22), sodass in der Ebene (E) der Öffnung ein Bestrahlungsfeld (131, 231) der Strahlungsquelle (130, 230) ein Detektionsfeld (151, 251) des Detektors (150, 250) vollständig überdeckt, größer als das Detektionsfeld (151, 251) des Detektors (150, 250) ist, und eine flächenspezifische Leistungsdichte (Q) der Strahlungsquelle (130, 230) im Bestrahlungsfeld (131, 231) für einen Zeitpunkt (t) während des Betriebs der Strahlungsquelle (130, 230) zumindest im Detektionsfeld (151, 251) des Detektors (150, 250) zumindest im Wesentlichen räumlich konstant ist.
Tragbare Vorrichtung (100, 200) nach Anspruch 11, wobei die Öffnung (106) in der Ebene (E) liegt, und/oder wobei der Aufsatz (105, 201) von einem Gehäuse (201) der Vorrichtung gebildet wird oder mit einem Gehäuse der Vorrichtung verbunden ist.
Tragbare Vorrichtung (100, 200) nach Anspruch 11 oder 12, weiter aufweisend einen im und/oder am Aufsatz (105, 201) so angeordneten Sensor (170, 270) zur Messung der Reflexivität des Oberflächenabschnitts (12, 22), dass sein Detektionsfeld in der Ebene (E) der Öffnung (106) mit dem Bestrahlungsfeld (131, 231) der Strahlungsquelle (130, 230) überlappt und/oder innerhalb des Bestrahlungsfelds (131, 231) der Strahlungsquelle (130, 230) liegt, und/oder einen im und/oder am Aufsatz (105, 201) angeordneten Leistungssensor zum Bestimmen einer Strahlungsleistung der Strahlungsquelle (130, 230).
Tragbare Vorrichtung (100, 200) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, weiter aufweisend eine Detektions- und Auswerteeinheit, die mit der Strahlungsquelle (130, 230), dem Detektor (150, 250), und typischerweise mit dem Leistungssensor und/oder dem Sensor (170, 270) verbunden ist und typischerweise eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1-10 auszuführen.
Tragbare Vorrichtung (100, 200) nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei die Strahlungsquelle (130, 230) einen Laser, eine Aufweitoptik, eine Halogenlampe oder ein LED-Array aufweist, wobei der Detektor (150, 250) eine Wärmebildkamera oder ein Pyrometer, insbesondere ein defokussiertes Pyrometers aufweist, wobei der Leistungssensor eine Fotodiode aufweist, und/oder wobei der Sensor (170, 270) eine Fotodiode aufweist.