Induktiver Array Sensor zur Ortung, Klassifizierung und Vermessung von metallischen Objekten in Wänden, Böden und Decken

Keywords: Induktion, Detektion

Am Bau ist es wichtig zu wissen, ob und in welcher Tiefe in einem Untergrund Armierungseisen, Gas-/ Wasserleitungen oder Spannkabel vorhanden sind (Qualitätssicherung, sicheres Bohren). Die Geräte am Markt (basierend auf magnetischer Induktion) erfüllen die Kundenanforderungen nur teilweise. In diesem Projekt wird eine robuste Technologieplattform für induktive Sensoren mit verbesserter Durchmesser- und Überdeckungs-Bestimmung sowie Materialerkennung entwickelt. Dies wird in erster Linie durch eine höhere Selektivität, durch eine sehr breitbandige Anregung im Bereich von 1-200 kHz, einer höheren mechanischen Stabilität und elektrischen Entkopplung durch den Einsatz von Print-Spulen und einer auf physikalischen Modellen basierten, globalen Signalverarbeitungsstrategie erreicht. Die Detektion von Bewehrungen und anderen Objekten in schwierigen Konfigurationen (z.B. verschweisste Armierungsgitter oder Ankerbolzen) wird dadurch verbessert.

Im KTI Projekt KTI-Nr. 14469.1 PFIW-IW «Induktiver Array Sensor zur Ortung, Klassifizierung und Vermessung von metallischen Objekten in Wänden, Böden und Decken - Technologie und Realisierung» [8] wurde eine flexible, fast universell wiederverwendbare Technologieplattform (PS300) auf Basis der elektromagnetischen Puls-Induktion entwickelt. Die breitbandige Technologie erlaubt den Einsatz von kostengünstigen Print-Spulen und vermeidet das technologisch anspruchsvolle und aufwändige Abstimmen von Spulensystemen. Das Design dieser Sensoren ist sehr anspruchsvoll. Ist die Technologie jedoch einmal beherrscht, so bietet sie sehr viele Vorteile.

Detektionsgeräte werden in zwei Hauptanwendungsfällen eingesetzt:

• Vermeiden von Armierungstreffern und dem Anbohren von Spannkabeln und
• Qualitätskontrolle zur Überprüfung und Nachweis der statischen Tragfähigkeit von Bauwerken und zur Garantie des Korrosionsschutzes (Mindestbetonüberdeckung). Die Kontrolle der Lage, der Überdeckung und des Durchmessers der Eisen garantiert die statische Festigkeit.

Es wurden folgende Resultate erzielt:

1. Eine neue Technologieplattform PS300 von Scannern auf Basis der Pulsinduktion wurde entwickelt und getestet. Dies ist unseres Wissens der erste handgehaltene Scanner, welcher Pulsinduktion für einen ganzen Array von Sensoren verwendet. Die Technologie erlaubt günstigere Sensoren mit höherer Performance (Reichweite, Diskriminierung, Durchmesser- und Coverbestimmung) in kurzer Entwicklungszeit zu designen und mit hoher Reproduzierbarkeit zu fertigen.
2. Ein Scan-Simulator (ScanSim) basierend auf analytischen, breitbandigen Dipolmodellen wurde entwickelt und validiert. Er erlaubt die schnelle Berechnung der induzierten Signale im Zeit- oder Frequenzbereich über typischen Objekten wie Eisen oder Gitter eines beliebigen induktiven Messsystems im quasistatischen Bereich der Maxwell-Gleichungen. Wo ein FEM-Programm zwei Wochen Rechenzeit für die Berechnungen eines Imagescans über einer Fläche von 60x60cm² benötigt, braucht ScanSim noch etwa eine Stunde. Mit vorausberechneten Wissensbasen für einen Scanner sind es noch wenige Sekunden. Dieses extrem schnelle Vorwärtsmodell erlaubt die effiziente Inversion der Daten mittels Optimierung. Mit diesem Simulator wurden bereits einige Spulen des PS300 optimiert.
3. Für Quickscan-Recording und Imagescan-Processing wurde eine Prozesskette zur Durchmesser-, Cover und Lagenschätzung von Armierungseisen entwickelt, welche die Signale lokal auswertet (lokaler Ansatz). Die Auswertestrategie basiert hier auf den Informationen einzelner Spulen oder Spulenkombinationen, welche unabhängig voneinander und Spur für Spur ausgewertet werden.
4. Die Bestimmung von Durchmesser konnte durch einen globalen Ansatz, der auch die Einflüsse der Quer- und Schrägeisen berücksichtigt, im Imagescan-Modus deutlich verbessert werden. Bisher war es nur möglich, genau senkrecht zur Scanrichtung ausgerichtete Armierungseisen korrekt zu schätzen. Nun ist es möglich, beliebig geneigte Eisen korrekt zu schätzen.

ScanSim

ScanSim beruht nicht auf einer vollständigen Lösung der quasistationären Maxwell-Gleichungen in 3D, sondern auf der Dipolnäherung der Streufelder für den quasistationären Fall. Die Theorie hinter Scansim wurde durch BURROWS [1] für das Wirbelstromverfahren entwickelt und stützt sich auf analytische Lösungen für die magnetische Polarisierbarkeit von Objekten im Untergrund, die zuerst für geophysikalische Problemstellungen (Suche von Erzlagerstätten, Kartierung des Untergrunds) durch WAIT [2] und GRANT und WEST [3] entwickelt wurden. Nach der Geophysik und der Materialprüfung durch Wirbelstromverfahren hat sich die Theorie schlussendlich auch bei der Entwicklung von induktiven Sensoren zur Detektion von Objekten im Untergrund, insbesondere zur Detektion von nicht-detonierter Munition (UXO=unexploded ordonance) [4, 5 6, 5] und zur Minendetektion durchgesetzt. Wie bereits WAIT bemerkt hatte, ist es schade, dass diese drei Bereiche Geophysik, Materialprüfung und Detektion nicht früher die gemeinsame theoretische Basis erkannt hatten. Für einige permeable, leitfähige Objekte wie Zylinder, Kugel, Ellipsoid oder Zylinderschale und Leiterschleife sind analytische Dipolnäherungen für die Berechnung der Dipol-Streufelder vorhanden oder können angenähert werden.

Die Dipolnäherung limitiert die Anwendbarkeit von ScanSim auf Geometrien, die entweder genügend weit vom Scanner entfernt sind oder gegenüber dem Scanner eine kleine Ausdehnung haben. Scansim berechnet zwar die exakten Feldverteilungen der Erregungs- wie Empfangsspulen, jedoch nicht die Nahfeldverteilung der Streufelder der Objekte selbst. Eine metallische Platte beispielsweise kann nicht einfach durch eine einfache Überlagerung von Dipolfeldern approximiert werden. Hier wäre es notwendig, verteilte Modelle zu integrieren, d.h. die Platte zu diskretisieren, entweder deren Volumen (FEM) oder Oberfläche (BEM) und die Wirbelstromantwort des gekoppelten Systems zu lösen.

Für längliche Objekte wie Bewehrungseisen kann die induzierte Magnetisierung als Überlagerung einzelner elementarer Dipole berechnet werden, da es sich für grosse Abstände um ein eindimensionales Objekt handelt. Eine Leiterschleife, wie sie beispielsweise bei verschweissten Bewehrungsgittern vorkommt, kann als eine Spule modelliert werden. Auch hier ist eine Reduktion auf eine einzige Dimension möglich, da die induzierten Ströme nur am Rand der Masche fliessen können.

Referenzen:

[1]  M. L. BURROWS A Theory of Eddy-Current Flaw Detection, Ph.D. Dissertation, University Microfilms, Inc., Ann Arbor, Michigan (1964)

[2]  J. R. WAIT Geo-Electromagnetism, Academic Press (July 28, 1982), Paperback: 278 pages, ISBN-10: 0124334970

[3]  F. GRANT AND G. WEST, Interpretation Theory in Applied Geophysics, pp.444 -572 1965 :McGraw-Hill

[4]  DAS, Y., MCFEE, J.E., CHESNEY, R.H., Determination of Depth of Shallowly Buried Objects by Electromagnetic Induction Geoscience and Remote Sensing, IEEE Transactions on, On page(s): 60-66 Volume: GE-23, Issue: 1, Jan. 1985

[5]  CHI-ON AO ; HENNING BRAUNISCH ; KEVIN O’NEILL ; JIN A. KONG ; LEUNG TSANG, ET AL., BROADBAND ELECTROMAGNETIC INDUCTION RESPONSE FORM CONDUCTING AND PERMEABLE SPHEROIDS, Proc. SPIE 4394, Detection and Remediation Technologies for Mines and Minelike Targets VI, 1304 (October 18, 2001)

[6]  SHUBITIDZE, F., O’NEILL, K., KELI SUN, PAULSEN, K.D., Investigation of broadband electromagnetic induction scattering by highly conductive, permeable, arbitrarily shaped 3-D objects, Geoscience and Remote Sensing, IEEE Transactions on, On page(s): 540 - 556 Volume: 42, Issue: 3, March 2004

[7]  AO, C.O.; BRAUNISCH, H.; O’NEILL, K.; KONG, J.A., Quasi-magnetostatic solution for a conducting and permeable spheroid, Geoscience and Remote Sensing Symposium, 2000. Proceedings. IGARSS 2000. IEEE 2000 International , vol.4, no., pp.1418-1420 vol.4, 24-28 July 2000

[8]  https://www.aramis.admin.ch/Grunddaten/?ProjectID=32827