Mikrowellensysteme für die in-situ-Feuchtemessung zur Bauwerksüberwachung (PDF)

Aufgrund der Altersstruktur der Bauwerke in Deutschland müssen für deren Instandhaltung zukünftig in volkswirschaftlich relevantem Rahmen finanzielle Mittel aufgebracht werden. Um diese Mittel möglichst effizient einsetzen zu können, ist die kontinuierliche Überwachung des Zustandes eines Bauwerkes notwendig. Eine wesentliche Kenngröße zur Beurteilung des Bauwerkszustandes ist die Feuchte. In der vorliegenden Arbeit werden daher zerstörungsfrei messende Systeme zur in-situ-Bestimmung der Feuchte untersucht.

Es werden zunächst potenzielle Messverfahren vorgestellt. Aufgrund geringer Querempfindlichkeit gegenüber der betoninhärenten ionischen Leitfähigkeit werden Verfahren im Frequenzbereich zwischen 2,0 GHz und 3,5 GHz verwendet. Weiterhin wird die Messumgebung beschrieben, und die sich aus ihr ergebenden Anforderungen an Messsysteme abgeleitet. Die Messsysteme bestehen aus Sensoren und Auswerteeinheiten.

Ausgehend von dem Stand der Technik werden mehrere Sensoren unter identischen Randbedingungen untersucht und systematisch miteinander verglichen. Die wesentlichen Vergleichsparameter sind die Feuchteempfindlichkeit und die Temperaturquerempfindlichkeit, die Integrierbarkeit in Messsysteme sowie die reproduzierbare Herstellbarkeit. Lithografisch einfach herstellbare Resonatoren zeigen eine besonders hohe Feuchteempfindlichkeit, lassen sich gut in Messsysteme integrieren und finden daher Verwendung. Um dichteunabhängige Feuchtemessungen zu ermöglichen, werden feuchtesensitive Ersatzmaterialien aus porösen Keramiken benutzt. Die Eigenschaften unterschiedlicher Keramiken werden untersucht. Es wird gezeigt, dass eine hysteresefreie Feuchtebestimmung grundsätzlich möglich ist.

Es wird die Realisierung von zwei unterschiedlichen Auswerteeinheiten sowie deren Integration mit geeigneten Sensoren zu Messsystemen beschrieben. Das erste untersuchte System ist ein kompakter vektorieller Netzwerkanalysator mit einem integrierten Selbstkalibriernetzwerk. Die zweite Auswerteeinheit basiert auf einem aktiven Sensor, dessen Oszillationsfrequenz eine Funktion der Feuchte ist. Zur Bestimmung dieser Frequenz werden ein Frequenzzähler und ein neuartiger Frequenzkomparator vorgestellt. Aufgrund der Vorteile des Komparators wird dieser mit dem aktiven Sensor zu einem selbstoszillierenden Messsystem kombiniert. Dieses System zeigt im Vergleich zum Netzwerkanalysator deutliche Vorteile in Bezug auf Größe, Schaltungskomplexität, Kosten, Herstellbarkeit, Energiebedarf und Messgenauigkeit und wird daher ausschließlich für die weiteren Untersuchungen verwendet.

Die Eignung des selbstoszillierenden Systems wird unter realistischen Bedingungen überprüft. Hierfür wird zunächst die Querempfindlichkeit des Systems gegenüber der betoninhärenten ionischen Leitfähigkeit untersucht. In einem weiteren Schritt wird eine zweistufige Feuchtekalibrierung durchgeführt. Diese Kalibrierung findet bei den folgenden Untersuchungen unter realistischen Bedingungen Anwendung. Hierbei werden mehrere selbstoszillierende Messsysteme sowohl in Zementstein als auch in Betone unterschiedlicher Zusammensetzung eingegossen. Es werden die Austrocknung während der Nachbehandlungsdauer und nach Entschalung sowie die einsetzende Befeuchtung überwacht. Die Ergebnisse entsprechen grundsätzlich den aus den grundlegenden Betrachtungen abgeleiteten Erwartungen und liegen innerhalb der gefundenen Systemgenauigkeit.

Die Arbeit schließt mit einer Zusammenfassung und einem Ausblick.