DE4342100A1 - Non-destructive testing of concrete by confocal magnetic tomography - Google Patents
Non-destructive testing of concrete by confocal magnetic tomographyInfo
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Abstract
Description
Das Verfahren der magnetischen Streuflußmessung ermöglicht die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung von magnetisierbaren Bauteilen oder Verbundbauteilen mit magnetisierbarer Matrix. Hierbei weist der örtlich austretende Streufluß mit einer charakteristischen Signatur in den Meßwerten auf einen Schaden im Bauteil hin. Prinzipiell können damit alle offenen Trennstellen (durchgängige Brüche, Anrisse, Kerben, freie Enden) detektiert werden. In der Prüfpraxis sind die Bruchsignale jedoch von unter Umständen großen Störsignalen überlagert, die sich aus Permeabilitätsänderungen im magnetisierbaren Werkstoff, z. B. durch plastische Verformungen, örtliche Wärmeeinflüsse, Materialinhomogenitäten etc. ergeben. Weitere Störsignale ergeben sich aus der Umgebung, z. B. magnetische Störfelder aus dem Betrieb von elektrischen Maschinen, Felder von magnetischen Bauteilen in der Nähe des Prüfobjekts etc. Die Schwierigkeit bei der Deutung der insgesamt aufgenommenen Signale besteht nun darin, aus der Überlagerung der verschiedenen Signale die charakteristischen Signale von z. B. Brüchen eindeutig zu identifizieren.The method of magnetic leakage flux measurement enables non-destructive Material testing of magnetizable components or composite components with magnetizable Matrix. Here, the leakage flux locally exiting has a characteristic signature in the measured values for damage in the component. In principle, all open can Separation points (continuous breaks, cracks, notches, free ends) can be detected. In the In practice, however, the break signals are sometimes overlaid with large interference signals, which result from changes in permeability in the magnetizable material, e.g. B. by plastic Deformations, local heat influences, material inhomogeneities etc. result. Further Interference signals arise from the environment, e.g. B. magnetic interference fields from the operation of electrical machines, fields of magnetic components in the vicinity of the test object etc. The difficulty in interpreting the overall signals recorded is now from the superimposition of the different signals, the characteristic signals of e.g. B. Identify breaks clearly.
Die meisten Störsignale können jedoch eliminiert werden, wenn aus den Meßwerten, die eine zweidimensionale Verteilung der magnetischen Feldstärke in der Meßebene als Aufsummierung aller magnetischen Informationen aus einem dreidimensionalen Objekt darstellen, auf die im Objekt vorhandene Magnetisierung zurückgerechnet wird. Der Vorteil ist hierbei, daß die Magnetisierung in Rissen und Trennstellen zu Null wird und somit diese Stellen deutlicher von Bereichen mit Permeabilitätsänderungen, in denen die Magnetisierung im wesentlichen von Null verschieden ist, zu unterscheiden sind. Zusätzlich lassen sich natürlich Strukturenden oder periodische Strukturformen erkennen.Most interference signals can, however, be eliminated if one of the measured values two-dimensional distribution of the magnetic field strength in the measuring plane as Summation of all magnetic information from a three-dimensional object represent, back to the existing magnetization in the object. The advantage is here that the magnetization in cracks and separation points becomes zero and thus this Make clearer of areas with permeability changes in which the magnetization in the is significantly different from zero. In addition, of course Recognize structure ends or periodic structure shapes.
Rückrechnungsverfahren, die eine dreidimensionale Magnetisierungsverteilung im Objekt berechnen, erfordern eine große Anzahl von Meßpunkten und einen beträchtlichen Rechenaufwand, so daß diese Verfahren sehr zeitaufwendig sind und nicht in Realzeit durchgeführt werden können.Recalculation procedure, the three-dimensional magnetization distribution in the object require a large number of measuring points and a considerable one Computational effort, so that these procedures are very time consuming and not in real time can be carried out.
Im folgenden soll ein vereinfachtes und schnelleres Verfahren vorgestellt werden, die sogenannte konfokale Magnettomographie.In the following a simplified and faster procedure is to be presented, the so-called confocal magnetic tomography.
Auf der Basis von /1/, in der die Rückrechnung von gemessenen Feldstärken auf die erzeugende Stromverteilung in ebenen Körpern beschrieben wird, soll das hier vorgestellte Verfahren die Magnetisierungsverteilung in Körpern auf Ebenen parallel zur Meßebene in Realzeit berechnen.On the basis of / 1 /, in which the recalculation of measured field strengths to the generating current distribution in flat bodies is described, the presented here Process the magnetization distribution in bodies on planes parallel to the measuring plane in Calculate real time.
Zur Beschreibung des Verfahrens soll ein einfaches Modell betrachtet werden. Hierbei handelt es sich um einen ebenen Körper, siehe Abb. 1, der in einer Ebene 1 (Störebene) im Abstand -z₁ von der Oberfläche und in einer weiteren Ebene 2 (Quellebene) im Abstand -z₂ von der Oberfläche jeweils eine unterschiedliche Magnetisierungsverteilung besitzt. In einer Ebene 3 (Meßebene) im Abstand +z₃ von der Oberfläche kann durch einen geeigneten Magnetfeldsensor eine zweidimensionale Verteilung der magnetischen Feldstärkekomponente in einer Koordinatenrichtung gemessen werden. Diese Feldstärkekomponente ist eine Überlagerung der Feldstärke resultierend aus der Magnetisierung in Ebene 1 und Ebene 2. Das Ziel des Verfahrens ist es nun, aus der Messung der Feldstärkeverteilung in Ebene 3 möglichst gut auf die Magnetisierungsverteilung (Quellverteilung) in Ebene 2 zurückzurechnen und dabei die magnetische Information (Störsignale) in Ebene 1 zu unterdrücken. A simple model should be considered to describe the method. This is a flat body, see Fig. 1, which has a different magnetization distribution in a level 1 (interference level) at a distance -z₁ from the surface and in a further level 2 (source level) at a distance -z₂ from the surface . In a plane 3 (measuring plane) at a distance + z₃ from the surface, a suitable magnetic field sensor can be used to measure a two-dimensional distribution of the magnetic field strength component in a coordinate direction. This field strength component is a superimposition of the field strength resulting from the magnetization in level 1 and level 2. The aim of the method is now to calculate back as well as possible from the measurement of the field strength distribution in level 3 to the magnetization distribution (source distribution) in level 2 and thereby the magnetic Suppress information (interference signals) in level 1.
Im Fourier-Raum wird der Zusammenhang zwischen der fouriertransformierten Feldstärkekomponente hx (aus der Feldstärkekomponente Hx) und der fouriertransformierten Magnetisierungskomponente my (aus der Magnetisierungskomponente My) beschrieben durchIn the Fourier space, the relationship between the Fourier-transformed field strength component h x (from the field strength component H x ) and the Fourier-transformed magnetization component m y (from the magnetization component M y ) is described by
Hierbei sind kx und ky die fouriertransformierten Koordinaten (Frequenzen) x bzw. y und g(kx, ky, z) ist die fouriertransformierte Greensche Funktion G(x,y,z), die in diesem Fall analytisch gelöst werden kann und die Form eines Tiefpaßfilters hat, wobei die Filterstärke durch den Abstand der Meßebene 3 zur Körperoberfläche bzw. den Magnetisierungsebenen 1 und 3 beeinflußt wird. Bei dem hier vorgestellten Problem muß das inverse Problem gelöst werden, d. h. aus Gleichung (1) muß z. B. aus dem gemessenen und transformierten Feld hx(kx, ky, z) die Magnetisierungsverteilung my(kx, ky, z) berechnet werden. Dies bedeutet, daß z. B. im Fourierraum die y-Komponente der Magnetisierung einfach durch eine Hochpaßfilterung der x-Komponente der Feldstärke ermittelt werden kann. Auch aus der Feldstärkekomponente in z-Richtung läßt sich eindeutig die Magnetisierung in x- und y-Richtung berechnen wenn man beachtet, daß im quasistatischen Fall die Divergenz der Magnetisierung gleich Null ist.Here, k x and k y are the Fourier-transformed coordinates (frequencies) x and y and g (k x , k y , z) is the Fourier-transformed Green's function G (x, y, z), which can be solved analytically in this case and has the form of a low-pass filter, the filter strength being influenced by the distance of the measurement plane 3 from the body surface or the magnetization planes 1 and 3. In the problem presented here, the inverse problem must be solved, ie from equation (1) z. B. from the measured and transformed field h x (k x , k y , z) the magnetization distribution m y (k x , k y , z) can be calculated. This means that e.g. B. in the Fourier space, the y component of the magnetization can be determined simply by high-pass filtering the x component of the field strength. The magnetization in the x and y directions can also be clearly calculated from the field strength component in the z direction if one takes into account that in the quasi-static case the divergence of the magnetization is zero.
∇ · M = 0
-i · kx · mx(kx, ky)-i · ky · my(kx, ky) = 0 (3)∇M = 0
-i x x m x (k x , k y ) -i k y.m y (k x , k y ) = 0 (3)
Die in der Ebene 3 somit berechnete Magnetisierung ist allerdings eine unscharfe (niederfrequente) Abbildung der Magnetisierungsverteilung im Körper. Eine Umrechnung der Magnetisierung auf andere Ebenen im Abstand Δz ist im Fourierraum ist einfach möglich durch:The magnetization thus calculated in level 3 is, however, unsharp (Low frequency) mapping of the magnetization distribution in the body. A conversion of the Magnetization to other planes at a distance Δz is easily possible in the Fourier space by:
Es ist aus Gleichung (4) offensichtlich, daß bei einer Umrechnung auf Ebenen, die näher zu den Quellebenen liegen, d. h. z ist kleiner als z₁, die hohen Frequenzen durch die Wirkung des ersten Faktors als Hochpaßfilter verstärkt werden. Bildlich gesprochen wird die Magnetisierung schärfer (höherfrequent) dargestellt, z. B. ist es dann möglich, bei einer Umrechnung auf die Ebene 1 die dort vorhandene Magnetisierung möglichst scharf (in Abhängigkeit von der Empfindlichkeit und des Signal-zu Rausch-Verhältnisses des Meßsystems) darzustellen.It is evident from equation (4) that when converting to levels closer to that Source planes are d. H. z is less than z₁, the high frequencies by the action of first factor to be amplified as a high-pass filter. It is figuratively spoken Magnetization shown sharper (higher frequency), z. B. it is then possible at a Conversion to level 1 the magnetization there as sharp as possible (in Dependence on the sensitivity and the signal-to-noise ratio of the Measuring system).
Hier ergibt sich nun die Möglichkeit, die hohen Frequenzen, die ja im wesentlichen die magnetische Information aus Ebene 1 beinhalten, durch einen Tiefpaßfilter zu entfernen und die so gefilterte Magnetisierung dann weiter mit Gleichung (4) auf die Ebene 2 zurückzurechnen. Damit hat man im wesentlichen die unscharfe Abbildung der Ebene 1 auf der Ebene 2 entfernt und erhält eine gute Darstellung der Magnetisierung in der Ebene 1, die kaum noch durch die Magnetisierung aus Ebene 1 beeinflußt wird. Bei der oben genannten Filterung in der Ebene 2 muß die Filterstärke so gewählt werden, daß die hohen Frequenzanteile der Ebene 1 möglichst vollständig abgeschnitten werden, ohne jedoch die Frequenzanteile der Ebene 2, die ja in der Ebene 1 auch als unscharfe Abbildung enthalten sind, zu entfernen. In der Praxis wird sich die Filterung jedoch nicht so ideal ausführen lassen, da sich der obere Frequenzbereich der Ebene 1 und der untere Frequenzbereich der Ebene 2 immer überlappen werden. Die Grenzfrequenz kann nur so gewählt werden, daß bei der Filterung möglichst wenig Information aus der Ebene 2 entfernt wird.Here now there is the possibility of the high frequencies, which are essentially the include magnetic information from level 1, by a low pass filter and the magnetization filtered in this way is then further increased to level 2 using equation (4) to calculate back. This essentially has the blurred image of level 1 on the Level 2 removes and receives a good representation of the magnetization in Level 1, which is hardly is still influenced by the magnetization from level 1. With the above filtering in level 2, the filter strength must be selected so that the high frequency components of the Level 1 should be cut off as completely as possible, but without the frequency components of the Remove level 2, which is also included in level 1 as a blurred image. In the In practice, however, the filtering will not be carried out as ideally, since the upper one Frequency range of level 1 and the lower frequency range of level 2 always overlap become. The cut-off frequency can only be selected so that the filtering is as possible little information is removed from level 2.
Von wesentlicher Bedeutung bei diesem Verfahren ist eine möglichst rauscharme Messung der Feldstärke in Ebene 3, da das Rauschen als hochfrequentes Ereignis bei dem hier beschriebenen Verfahren überproportional verstärkt wird und bei einer Filterung des Rauschens auch gleichzeitig einen großen Anteil der magnetischen Information entfernt würde.It is essential with this method that the measurement of the noise is as low as possible Field strength in level 3, since the noise as a high-frequency event in the case described here Process is disproportionately amplified and also with a filtering of the noise a large portion of the magnetic information would be removed at the same time.
Eine mögliche Anwendung der konfokalen Magnettomographie ist wie in Kapitel 1 beschrieben bei der Detektion von Spannstahlrissen in vorgespannten Betonbauten zu sehen, bei der mit einem höchstempfindlichen Sensor nahe der Bauteiloberfläche (Ebene 3) der magnetische Streufluß aus der Bruchstelle gemessen wird. Hierbei befindet sich meistens kurz unterhalb der Bauteiloberfläche die schlaffe Armierung (Ebene 1) und tiefer innenliegend das Spannbündel (Ebene 2). Durch das beschriebene Verfahren können die Störsignale aus der Ebene 1 eliminiert und die Spannstahlrisse deutlicher erkannt werden, da in den Rissen die Magnetisierung gleich Null ist.One possible application of confocal magnetic tomography is as in Chapter 1 described in the detection of prestressing steel cracks in prestressed concrete buildings the one with a highly sensitive sensor near the component surface (level 3) Magnetic leakage flux from the breaking point is measured. This is usually short the sagging reinforcement (level 1) below the component surface and the deeper inside Tension bundle (level 2). With the described method, the interference signals from the Level 1 eliminated and the prestressing steel cracks can be recognized more clearly because the cracks in the Magnetization is zero.
Weitere Anwendungen sind auch dort zu sehen, wo hinter der Armierungslage Maueranker etc. erkannt werden müssen oder die Verlegung von Armierungsmatten, z. B. an Verbindungsstellen, überprüft werden soll.Further applications can also be seen where there are wall anchors behind the reinforcement layer etc. must be recognized or the laying of reinforcement mats, e.g. B. on Liaison points to be checked.
Ein ähnliches Problem ergibt sich auch bei der Wirbelstromprüfung von Strukturen aus genieteten Aluminiumplatten, die z. B. beim Flugzeugbau verwendet werden. Wenn hierbei von der Außenseite Risse in den unteren Platten detektiert werden sollen, dann können Signale der Nieten und Nietlöcher aus den darüberliegenden Platten das eigentliche Bruchsignal überlagern. Durch die konfokale Magnettomographie können diese Störsignale eliminiert werden. A similar problem arises with the eddy current testing of structures riveted aluminum plates, the z. B. used in aircraft construction. If here from the outside cracks in the lower plates should be detected, then signals can be the actual rupture signal of the rivets and rivet holes from the plates above overlay. These interference signals can be eliminated by confocal magnetic tomography become.
B. J. Roth, N. G. Sepulveda and J. P. Wikswo, Using a Magnetometer to Image a Two-Dimensional Current Distribution, J. Appl. Phys. 65 (1), 1989.B. J. Roth, N.G. Sepulveda and J.P. Wikswo, Using a Magnetometer to Image a Two-Dimensional Current Distribution, J. Appl. Phys. 65 (1), 1989.
Rißerkennung bei Spannbetonträgern durch Rückrechnung der
Hz(x, y) z = z₀ Komponente:
Für ebene Strom- bzw. Magnetisierungslage können die Quellen nach
Messung der Hz Komponente in einer Parallelebene eindeutig rück
gerechnet werden.Crack detection in prestressed concrete beams by recalculating the H z (x, y) z = z₀ component:
For a level current or magnetization position, the sources can be back calculated after measuring the H z component in a parallel plane.
Bei zwei Magnetisierungslagen (schlaffe Armierung) kann durch zwei Messungen in verschiedener z-Entfernung eine Ebene herausgerechnet werden, weil die Schärfe der Abbildung für die beiden Ebenen in den Meßebenen unterschiedlich ist.In the case of two magnetization layers (sagging reinforcement), two Measurements at different z distances have one level removed because the sharpness of the image for the two levels in the measurement levels is different.
Die magnetischen Signale der unter den Spannstählen befindlichen Armierung stören die empfindliche Messung der in einer Ebene darüber befindlichen Spannstahlbündel deren Risse oder Einrisse gemessen werden sollen.The magnetic signals of those under the prestressing steels Armouring disrupt the sensitive measurement of one level above the prestressing steel bundle whose cracks or tears should be measured.
Die Rückrechnung der zweidimensionalen Hz(x, y) z = zi Verteilung erfolgt durch innere Filterung (Hochpaßfilterung). Die gemessene Bildschärfe hängt vom Abstand Magnetisierungsebene - Meßebene ab und ermöglicht durch zwei Messungen mit verschiedenen Zi eine Unterscheidung der zwei Quellebenen.The two-dimensional H z (x, y) z = z i distribution is calculated back by internal filtering (high-pass filtering). The measured image sharpness depends on the distance between the magnetization level and the measurement level and enables two measurements with different Z i to differentiate between the two source levels.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19934342100 DE4342100A1 (en) | 1993-12-10 | 1993-12-10 | Non-destructive testing of concrete by confocal magnetic tomography |
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DE19934342100 DE4342100A1 (en) | 1993-12-10 | 1993-12-10 | Non-destructive testing of concrete by confocal magnetic tomography |
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Publication Number | Publication Date |
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-
1993
- 1993-12-10 DE DE19934342100 patent/DE4342100A1/en not_active Withdrawn
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