Potentialsondenverfahren für Structural Health Monitoring

Stand der Technik/Motivation

Im Rahmen eines Forschungsprojekts zwischen der TU Clausthal, SincoTec Test Systems GmbH und mageba GmbH erforschen wir das Potentialsondenverfahren auf seine Eignung im Structural Health Monitoring.

Das Potentialsondenverfahren ist ein aus der Materialprüftechnik stammendes Verfahren zur Detektion struktureller Defekte in metallischen Messobjekten. Dabei wird über die Messung einer Widerstands- oder Impedanzänderung mittels einer 4-Leiter-Messung Rückschlüsse auf das Vorliegen eines strukturellen Defekt bspw. in Form eines Risses gezogen. Ein schematischer Messaufbau des Potentialsondenverfahrens ist in Abbildung 1 dargestellt.

Üblicherweise wird das Potentialsondenverfahren an Messobjekten eingesetzt, die wenige Zentimeter nicht übersteigen. Aufgrund der erheblich größeren Dimensionen der zu überwachenden Bauelemente im Structural Health Monitoring, die mehrere Meter betragen können, ist die Eignung dieses Verfahrens für die Zustandsüberwachung von Baustrukturen noch nicht ausreichend erforscht. Darüber hinaus müssen Querempfindlichkeiten des Messsystems für einen robusten Einsatz als Structural Health Monitoring System identifiziert und verstanden werden, um eine Kompensation dieser Störungen zu ermöglichen.

Ziel des Forschungsvorhabens ist die Überwachung von Fahrbahnübergangskonstruktionen von Brücken mithilfe des Potentialsondenverfahren. An diesen aus Stahl gefertigten Bauteilen treten Defekte in Form von Oberflächenrissen auf, die durch Betriebsschwingungen induziert werden. Mithilfe des Potentialsondenverfahrens soll perspektivisch eine dauerhafte Überwachung dieser Defekte ermöglicht werden und so ein Beitrag zum sicheren Betrieb der alternden Brückeninfrastruktur geleistet werden.

Abbildung 1: Schematischer Messaufbau des Potentialsondenverfahrens

Forschungsergebnisse

Erstes Ziel des Forschungsvorhabens war die Untersuchung der Sensitivität der Potentialsondentechnik für das Structural Health Monitoring von Baustrukturen. Unter Laborbedingungen konnten wir zeigen, dass die Potentialsondentechnik die notwendige Sensitivität für das Structural Health Monitoring von Baustrukturen mit realitätsnahen Abmessungen besitzt.

Dafür wurde ein Stahlträger mit den Abmessungen 100 cm x 3 cm x 6 cm gezielt eingeschnitten und die Veränderung der Impedanz gegenüber dem defektfreien Fall aufgezeichnet. Für die Messung der Impedanz wurde ein auf Lock-In Technik basierender Impedanzanalysator verwendet, um höchstmögliche Sensitivität zu erreichen. Zudem wurde ein elektromagnetisches Modell des Messaufbaus aufgestellt, um die aufgenommenen Messdaten interpretieren zu können. Die Messergebnisse sind in Abbildung 2 getrennt nach Amplituden- und Phasengang bei unterschiedlichen Schnitttiefen dargestellt.

Abbildung 2: Amplituden- und Phasengang eines Stahlprüflings (Abmessungen 1 m x 3 cm x 6 cm) bei unterschiedlichen Schnitttiefen im Frequenzbereich von 500 Hz bis 1 MHz.

Die gemessenen defektinduzierten Änderungen von Betrag und Phase der Impedanz liegen deutlich über der Auflösungsgrenze des verwendeten Impedanzanalysators.

Die Ergebnisse wiesen jedoch auch darauf hin, dass Querempfindlichkeiten gegenüber externen Umwelteinflüssen wie Temperaturänderungen oder Betriebsschwingungen potentiell großen Einfluss auf das Messergebnis haben und daher die Defektdetektion erschweren. Eine Kompensation dieser Einflüsse steht im Fokus weiterer Forschung.

Veröffentlichungen

  • E. Schneegans, J. Hug, and C. Rembe:
    Eignung des Potentialsondenverfahrens für die Zustandsüberwachung von Brücken
    In: 21. ITG/GMA Fachtagung Sensoren und Messsysteme, Tagungsband, AMA Service GmbH (Hrsg.), 10.-11- Mai 2022, Nürnberg [Veröffentlichung ausstehend]