4. Prüfung von Bauteilen
4.8 elektromagnetische/radiographische Verfahren
Die elektromagnetischen Wellen (Abb. 4.18) reichen von den Langwellen, bei einer Wellenlänge von 3⋅104 km und einer Frequenz von 10Hz, bis hin zu den sekundären Höhenstrahlungen mit einer Wellencharakteristik von 3⋅10-12 mm und 1023 Hz.
Abb. 4.18: Elektromagnetische Wellen
4.8.1 Farbmessung Prinzip
Die zu messende Oberfläche wird mit einer Lichtart C (künstliches Tageslicht) oder D65 (natürliches Tageslicht) unter einem bestimmten Winkel bestrahlt. Infolge eines differenzierten Anteils und einer differenzierten Verteilung der Extraktstoffe sowie infolge unterschiedlicher Schnittrichtungen und Dichten strahlt die Oberfläche verschiedene Spektren magnetischer Wellen aus. Drei Fotodioden mit den Spektralbereichen Rot, Grün und Blau filtrieren die reflektierten Strahlen und liefern analoge Sensorsignale, welche durch das ADC-System umgewandelt werden. Aus den digitalisierten Farbkomponenten errechnet ein Mikrorechner die faßbaren Kennwerte Helligkeit und Farbintensität.
Es stehen fünf verschiedene Farbsysteme zur Farbort-Bestimmung zur Verfügung: Das dem menschlichen Farbempfinden am nächsten kommende Farbsystem ist dabei jenes mit L*a*b. L* ist der Helligkeitsgrad, a* und b* sind die Farbkoordinaten. Bei diesem System entsprechen gleiche
geometrische Abstände auch ungefähr gleich visuell empfundenen Farbunterschieden. Die Holzfeuchte beeinflußt signifikant die Farbe über alle Temperaturbereiche.
Anwendung
Der Chroma-Meter CR-200 arbeitet mit einer diffusen Beleuchtung bei vertikaler Betrachtung (Abb.
4.19). Beim Chroma-Meter CR-231 erfolgt die Beleuchtung unter 45° und die Betrachtung bei 0°, dadurch wirkt sich die spiegelnde Reflexion auf das Messergebnis praktisch nicht aus.
Das Prinzip kann zur Sortierung von Hölzern oder zur Erkennung von Ästen, etc. dienen. Bei Versuchen zur Erkennung von Pilzbefall wurde das Holz mit den Farben Bromphenolblau oder Bromkresolgrün beaufschlagt. Durch die Änderung der Acidität entstand ein Farbumschlag, welcher bereits vor dem Auftreten von Masseverlusten zu erkennen war. Holzverfärbende Pilze beeinträchtigten diese Reaktion nicht. Dieses Verfahren findet in der Praxis keinen Einsatz.
Abb. 4.19: Farbmessgerät Minolta Abb. 4.20: Farbraum zur Chroma-Meter 300. Quelle: ETH, Oelhafen 3-D Darstellung der Farben
4.8.2 Spektroskopie Prinzip
Es werden elektromagnetische Wellen einer vorab bestimmten Wellenlänge auf das zu prüfende Objekt mittels Spiegel gestrahlt. Auf der Oberfläche entsteht Reflexion, Transmission und Absorption in Abhängigkeit zur Oberfläche. Die Anzahl und Energie der reflektierten Strahlen durchlaufen einen optischen Filter und werden von einem Sensorelement aufgenommen und in elektrische Signale umgewandelt. Die Informationen laufen über einen Vor- und Messverstärker und werden einem Rechner zugeschickt. Dieser wertet die Daten aus und stellt sie in einer interpretierbaren Form dar. In Abb. 4.21 ist eine derartige Anlage für spektroskopische Messungen dargestellt.
Die Haupteinflüsse auf das Messergebnis sind die chemische Zusammensetzung, zellulare Struktur und Orientierung, Oberflächenrauhigkeit sowie die Anordnung des Lichtes und der Sensoren.
Anwendung
Je nach benutzter Wellenlänge werden verschiedene Spektroskopie-Verfahren angewendet. Bei der Fluoreszenz- Spektroskopie wird ein kurzwelliges Anregerlicht der Wellenlänge 435 bis 365 μm eingesetzt. Bei der Absorption des Lichtes findet ein Elektronenübergang in ein höheres Energieniveau statt, so dass ein Teil der absorbierten Energie wieder als Licht (Fluoreszenzlicht)
Bewertung von Pilzbefall. Durch eine Auswertung des Fluoreszenz-Spektrums war es möglich, einen Pilzbefall und dessen Abbaustadium oder andere Strukturveränderungen festzustellen. Sie schlagen den Bau einer Einrichtung vor, mit welcher berührungslos innert weniger Millisekunden und im laufenden Prozess die Fäule bestimmt werden kann.
Abb. 4.21: Funktionsprinzip der spektroskopischen Messung: 1 Lampe, 2 Linse, 3 Filterrad, 4 Spiegel, 5 Messgut, 6 Hohlspiegel, 7 Fotowiderstand, 8 Vorverstärker, 9 Messverstärker, 10 Regristriergerät
Die Infrarot- Spektroskopie kann je nach Wellenlänge in ein nahes Infrarot (NIR, bis 3 μm), ein mittleres Infrarot (MIR, 3-6 μm) und in ein fernes Infrarot (FIR, 6-15 μm) eingeteilt werden.
Niemz et al. [93] benutzten die NIR-Spektroskopie zum Nachweis des Klebstoffanteils an beleimten Spänen. Für die Versuche verwendeten sie ein 3-Wellenlängen-Fotometer der Fa. Pier-Electornic und einen NIRS 5ooo Spektormeter der Fa. NIRS Systems. Die Resultate zeigten einen deutlichen Einfluss der Klebstoffart und der Hersteller. Durch zusätzliche Bestimmung der Feuchte konnte der Klebstoffanteil ermittelt werden. Körner et al. [94] untersuchten den Klebstoffanteil auf Holzpartikeln mit Hilfe der FTIR- Spektroskopie ( Fourir- Transform- Infrared- Spectroscopy). Die Messungen wurden nach der Diffusen Reflexion- Infrarot- Transform- Spektroskopietechnik (DRIFT) durchgeführt.
Es zeigte sich, daß der Anteil von Harnstoff- Formaldehyd- Harz, Phenol- Formaldehyd- Harz und Polyvinylacetat in einem Spangemisch nachweisbar war. Furumoto et al. [91] klassifizierten Eukalyptus globulus, Pinus pinaster und Pinus caribea Hachschnitzelmischungen bei unterschiedlicher Holzfeuchte mit guten Messergebnissen. Hagman [90] klassifizierte Druckholzanteile in Nadelholz mit einem Bild- Spektrographen bei einer Genauigkeit von 94%. Er zeigte, daß nur wenige spektrale Komponenten (sichtbares Licht bis UV Bereich) zur Druckholzerkennung notwendig sind. Mit einer Wahrscheinlichkeit von 98.7% unterschieden Brunner et al. [95] Kiefer und Fichte. Dazu verwendeten sie eine unter 45° einwirkende Lichtquelle und den Spectrora- diometer LI-COR 1800.
Eugster und Kucera [96] erhielten bei der Holzartenbestimmung eine Identifikationsquote von über 90% mit Hilfe eines FT- NIR Spektrometers.
4.8.3 Röntgen-Strahlen Prinzip
Als Röntgenstrahlen bezeichnet man elektromagnetische Wellen im Bereich von 10 bis 10-3nm. Durch einen elektrischen Heizstrom wird die Glühkatode in der Röntgenröhre auf Weißglut erhitzt, wobei sie Elektronen aussendet. Diese werden durch eine hohe elektrische Spannung (70 – 150 kV) zur Anode hin beschleunigt, wo sie von einem Wehneltzylinder gebündelt werden. Leitet man die Röntgenquanten auf die zu untersuchende Materie, entstehen Wechselwirkungen wie der Compton- Effekt, die Photoabsorption und die Anregung und Paarbildung. Durch einen Zeilendetektor (z.B.
Kadmium-Wolfram-Szintillator) werden die durchdrungenen Strahlen aufgenommen und mittels Computereinsatz der Absorptionskoeffizient μ berechnet, wobei gilt:
e
dE
E =
0⋅
−μ⋅ (Gl. 4.9)E … Geschwächte Strahlungsenergie in J E0 … Einfallende Strahlungsenergie in J d … Dicke in mm
μ … Absorptionskoeffizient in 1/ mm e … Basis der natürlichen Logarithmen
Anwendung
Es ist zu unterscheiden zwischen der gesamtheitlichen Durchleuchtung der Probe (z.B.
Durchstrahlung senkrecht zur Probenebene) zur Ermittlung der durchschnittliche Dichte und der schichtweisen Aufnahme (Computer-Tomographie) des Objekts zur Darstellung der Dichteverteilungen. In der Holzindustrie wird die Röntgenmethode vor allem zur Ermittlung der mittleren Dichte durch einen Querschnitt genutzt. Die Astigkeit, bestimmt durch Röntgen-Strahlen, verglichen mit der manuellen Sortierung, wies eine gute Übereinstimmung vor. Der Einfluss der Braunfäule bei Fichte und der Weissfäule bei der Buche wurde untersucht. Nach 5 Monaten konnte bei der Buche ein Verlust von 25 % und bei der Fichte im Frühholz eine 10 %tige und im Spätholz eine 22%tige Abnahme der Masse festgestellt werden. Die Abweichung zum gravimetrischen Messverfahren wies eine geringe Abweichung bei der Fichte von 2% und bei der Buche von 6% auf.
CT- Messungen können für Aussagen zur räumlichen Dichte- und Feuchteverteilung in Baustoffen dienen sowie Informationen zu den Prozessen der Befeuchtung und der Trocknung liefern. Es wurde so auch die Tiefe, die Menge und die zeitliche Dynamik der Eindringung von Schutzmitteln in die Proben geprüft. Zur Ermittlung der absoluten Dichte- und Feuchtewerte müssen noch weitere systematische Grosszahl-Untersuchungen durchgeführt werden.
Das Prinzip misst gänzlich zerstörungsfrei, aufgrund des Materialaufwandes und der radioaktiven Röntgenquelle ist die Methodik aber nicht wirklich praxistauglich.
4.8.4 Radar Prinzip
Bei Radar handelt es sich um elektromagnetische Wellen, die im oder über dem MHz-Bereich liegen.
Dabei wird das elektromagnetische Signal über eine oder mehrere Antennen abgestrahlt und dieses über eine oder mehrere Antennen wieder empfangen.
Dieses Signal wird an verschiedenen Grenzflächen reflektiert (sofern die elektromagnetischen Materialeigenschaften unterschiedlich sind) und aufgezeichnet. Aus diesen Daten lässt sich (unter Verwendung von mathematischen Inversionsalgorithmen) die Charakteristik des Untergrundes resp.
des untersuchten Mediums berechnen. Voraussetzung ist allerdings, dass die unterschiedlichen Medien auch genügend grosse unterschiedliche elektromagnetische Eigenschaften haben, da ansonsten die reflektierten Wellen im allgemeinen Rauschen untergehen. Es gibt für tomographische Untersuchungen an Stämmen deren drei verschiedene Anordnungen/Messmethoden:
− Reflektionsmessung (mit einer Senderantenne die auch zugleich Empfängerantenne ist;
"mono-static" )
− Transmissions- und Reflektionsmessung (eine Senderantenne die auch zugleich Empfängerantenne ist und einer zusätzlichen Empfängerantenne; "bi-static")
− das Prinzip dass mehrere Antennen das Objekt umgeben ("multi-static").
Die Eindringtiefe der Radarwellen hängt stark vom Feuchtegehalt des Holzes ab sowie der verwendeten Messfrequenz (siehe Abb. 4.23). Dabei ändert sie sich nur unterhalb des Fasersättigungspunktes in grösserem Masse.
Abb. 4.23: Eindringtiefe der Radarwellen in Abhängigkeit der Holzfeuchte (MC) und der Messfrequenz.
Anwendung
Die Interpretation der Messergebnisse ist nicht ganz einfach; ausserdem ist nicht gewährleistet dass alle Defekte erkannt werden. Dies ist abhängig von den jeweiligen Materialeigenschaften.
Das Prinzip misst gänzlich zerstörungsfrei und kommt in der Praxis zum Teil auch schon zum Einsatz.
Abb. 4.24: Längsschnitt durch Leitungsmast der mit Radar untersucht wurde (1200 MHz), links der faule Bereich
4.8.5 Neutronenradiographie Prinzip
Neutronenradiographie basiert auf dem Prinzip der Transmission. Ausgehend von einer intensiven Neutronenquelle (E = 2×MeV) gelangt der Teilchenstrahl durch einen die Strahleigenschaften gestaltenden Kollimator auf die Probe. Der hinter der Probe angeordnete neutronenempfindliche Szintillator transformiert die geschwächte Neutronenstrahlung in Lichtemission um, welche von einem Radiographiedetektor (z.B. CCD- Kamera) aufgenommen wird.
Die registrierten Daten werden über Grauwertstufen analysiert und es können Informationen über die Wechselwirkungen der Neutronen mit der Probe abgeleitet werden. Für das Abschwächungsgesetz gilt:
d
I
NI =
0− ⋅σ⋅ (Gl. 4.10)I Einfallende Intensität in Neutronen/cm2×s I0 Abgeschwächte Intensität in Neutronen/cm2×s d Dicke in mm
N Kerndichte in Kerne/cm3
σ Wechselwirkungswahrscheinlichkeit in cm2
Anwendung
Der Vorteil gegenüber dem Röntgen und der Computertomographie liegt in der Detektion des Wassergehaltes in einer Probe, welcher durch Integrieren des Querschnitts bestimmt werden kann.
Bei den Wasserstoffatomen besteht eine hohe Wechselwirkung mit den Neutronen, was eine deutliche Kontrastverstärkung bei steigender Holzfeuchte mit sich bringt. Lehmann et al. [279] untersuchten die Wasseraufnahme von verschiedenen Holzarten und Holzwerkstoffen mit einer maximalen Dicke von 20mm in Abhängigkeit von der Zeit.
Dieses Verfahren kann für die Überprüfung der Effizienz von Imprägnierungen und Beschichtungen, das Auffinden von inneren Defekten und Fehlerstellen sowie für die generelle Beschreibung des Feuchtetransports genutzt werden.