Möglichkeiten zur Verbesserung der Messgenauigkeit und Aussagesicherheit bei Ultraschallmessungen an Naturstein und Beton

Zielstellung:

Für eine Bewertung des Erhaltungszustandes von Naturstein ist die zerstörungsfrei ermittelte Schallgeschwindigkeit ein wichtiger Basiswert zur Planung von Folgemaßnahmen, wie z. B. eine Konservierung. Die Ultraschalluntersuchungen sind daher immer mit entsprechender Sorgfalt durchzuführen, um spätere Folgeentscheidungen richtig zu treffen.

Die gültige Prüfnorm für Naturstein EN 14576:2004 „Bestimmung der Geschwindigkeit der Schallausbreitung“ dient dafür als Basis. Durch die hier genannten weiterführenden Überlegungen kann eine nochmalige Verbesserung der Aussagekraft von Ultraschalluntersuchung erreicht werden.

Gleiches gilt auch für die Untersuchung von Beton entsprechend der Prüfnorm EN 125044:2004 „Prüfung von Beton in Bauwerken  Teil 4: Bestimmung der Ultraschallgeschwindigkeit“. Bei Berücksichtigung der nachfolgend aufgeführten möglichen Fehlerursachen und den zugehörigen Hinweisen kann die Messunsicherheit, bezogen auf den Wert der Schallgeschwindigkeit der Longitudinalwelle, deutlich verringert werden.

Messergebnisse mit einer Reproduzierbarkeit von kleiner als 5 % Abweichung sind so absolut realistisch. Die Planung der Messaufgabe, die Zusammenstellung und Wartung des Gerätesystems, die Festlegung von Messpunkten oder eines Messrasters, ergänzt durch Handskizzen und Fotos, sind maßgebend für den Erfolg einer Messaktion!

1. Gerätesystem

Ein Ultraschallsystem gliedert sich prinzipiell in folgende Komponenten:

  • Generator (Impulserzeuger) und PC-Oszilloskop (Signalerfassung) als Grundgeräte sowie Geber und Empfänger mit unterschiedlichen Frequenzen
  • Verbindungs- und Verlängerungskabel, Empfänger-Vorverstärker
  • PC oder Notebook einschließlich entsprechender Software und Datenkabeln
  • Koppelmittel und Verbrauchsmaterial

Mit einer CHECKLISTE kann die Vollständigkeit der Messausrüstung sichergestellt werden. Gleichfalls ist eine vorherige Funktionskontrolle und Wartung der Komponenten unerlässlich! Fehlerquellen sind vor allem ungeeignete, beschädigte oder defekte Kabel und Netzteile, mangelhafter Ladezustand von Akkus oder entladene Batterien.

2. Messfehler

Messstrecke:

  • Genauigkeit der Ermittlung (< 1 % lt. Norm in Durchschallung)
  • Bei Oberflächenmessungen (einseitige Ankopplung) ist die Prüfkopfgeometrie (Durchmesser) für die exakte Messstreckenermittlung zu berücksichtigen oder besser an einem bekannten Material eine Kalibriermessung durchzuführen.
  • Bei grobkörnigem oder grob strukturiertem Material wie Beton, Konglomerat, Jura Kalkstein o. ä. sollte die Messstrecke mindestens ein Verhältnis von 10:1 zur Materialstruktur aufweisen!
  • Beachtung des Zusammenhangs zwischen Prüffrequenz und Messtrecke: Die gewählte Messstrecke muss ein Mehrfaches der Wellenlänge betragen.

3. Bedienfehler

Der häufigste Bedienfehler ist eine falsche Einstellung der Signalverstärkung, d. h. das Ultraschallsignal muss vor der Laufzeitbestimmung in seiner Amplitude RICHTIG skaliert werden.

Es gilt die Regel: Die gemessene Laufzeit ist von der gewählten Amplituden-Verstärkung abhängig!
Die Bestimmung der Laufzeit der schnellsten Schallwelle im Material (Longitudinalwelle) basiert auf einer Zeitmessung mit dem Startzeitpunkt der Impulserzeugung und Abgabe am Geber und dem Eintreffen der Welle am Empfänger als Stoppzeitpunkt. Der signifikante Signalbeginn der Schallwelle wird dabei als „Ersteinsatz“ bezeichnet und stellt sich typisch als erste negative Signalauslenkung von der links beginnenden und geradlinig verlaufenden Nulllinie dar.

Die Findung des Ersteinsatzes basiert entweder auf einer visuellen und manuellen Bewertung des Bedieners oder erfolgt mittels einer Softwareautomatik, welche auf einer Pegel- und Amplitudenbewertung beruht. Bei fehlerhafter Bedienung werden häufig zu kleine Signale mit einer größeren Laufzeit und übersteuerte Signale mit einer zu kurzen Laufzeit bewertet.

Diese Unterschiede können mehrere Ls betragen, was vor allem bei kurzen Messstrecken zu beträchtlichen Differenzen in der Schallgeschwindigkeit führen kann. Die Signalamplitude ist abhängig von weiteren Faktoren wie:

  • der Ankopplung an das Messobjekt (Koppeldruck und Auswahl des richtigen Koppelmittels)
  • der Prüfkopfanordnung am Messobjekt (direkte oder indirekte Durchschallung)
  • der Auswahl der optimalen Prüffrequenz passend zur Länge der Messtrecke, der Materialdämpfung oder dem Vorhandensein von Rissen und Gefügeschäden

Die manuelle Zuordnung und Eingabe von Ergebnissen in z. B. Messwerttabellen ist eine weitere Fehlerursache. Zusätzlich schließt sie eine nachträgliche Kontrolle oder Bewertung der Messergebnisse von vorn herein aus! Mit einer eindeutigen Archivierung der Messdaten einschließlich der Signalverläufe innerhalb des Messvorgangs kann diese Fehlerquelle eliminiert werden.