schließen

Masterarbeiten.

Impedanzspektroskopie zur Schichtdickenmessung von Calcitablagerungen in Drainagerohren

 

Sabrina Affortunati

In Tunneldrainagen entstehende Versinterungen stellen ein erhebliches Problem dar.
Die Ableitung des Bergwassers aus dem Tunnel erfordert den Einbau von Drainagerohren. Durch das Bergwasser, Portlandit aus dem Spritzbeton der Tunnelwand und die Druckdifferenz beim Übergang an die Erdatmosphäre kommt es zur Bildung von Calcit. Dieses lagert sich in den Rohren ab und führt so zu Versinterungen. Für die Instandhaltung des Tunnels ist es nötig, die Ablagerungen zu entfernen, um das Abfließen des Bergwassers zu gewährleisten. Während es bei dünnen Schichtdicken möglich ist, die Ablagerung durch Druckbürsten zu entfernen, ist es bei dickeren Schichten nötig, zeit- und kostenaufwendigere Abtragungsverfahren anzuwenden beziehungsweise das Rohr komplett zu erneuern. Aus diesem Grund ist es wichtig, eine Ablagerung rechtzeitig zu erkennen.
Hierfür bietet sich ein Messsystem an, welches einfach den bereits vorhandenen Drainagerohren hinzugefügt werden kann.

In dieser Arbeit wird die Anwendung eines auf Impedanzmessungen aufbauenden Messsystems für die Bestimmung von Ablagerungsdicken in Drainagerohren analysiert. Nach einer Einleitung in die gegebene Problematik und der Charakterisierung der benützten Materialien (Wasser, Sand, U-PVC Rohr) und des verwendeten Messgeräts (Impedanzanalysator 4194A von HP) wird die Methode der Impedanzspektroskopie präsentiert. Die Impedanz kann durch einfaches Anbringen von Elektroden auf der Außenseite des Rohrs gemessen werden, es handelt sich also um ein nicht-invasives Messsystem. Die große Herausforderung besteht dabei in der Interpretation der gemessenen Impedanzen und der Erstellung einer Modellschaltung, welche das Verhalten der Messungen widerspiegelt. Am Beispiel der Messung des Impedanzspektrums eines Apfels soll gezeigt werden, wie man von der aufgenommenen Ortskurve auf eine dazugehörige Modellschaltung schließen kann.

 

Abbildung 1: Versuchsaufbau des PVC-Rohrs, im Hintergrund der Impedanzanalysator.

Die Beschränktheit der Methode auf die Erstellung eines über das Frequenzspektrum gültigen Schaltungsmodells führt zur Unmöglichkeit der Anwendung, wenn komplexe Ortskurven gemessen werden und sich demzufolge kein adäquates Modell finden lässt.

Es soll ein neues Messverfahren präsentiert werden, welches sich nur auf bestimmte Frequenzen limitiert. Die zentrale Annahme ist dabei, dass nicht mehr eine physikalisch korrekte, sondern eine zielführende Modellschaltung bestimmt werden soll. Damit ist eine Schaltung gemeint, deren Parameter es erlauben, auf die gewünschten Größen zu schließen. Auf diese Weise wurde ein Messverfahren entwickelt, welches es trotz Betrachtung einer einzelnen Frequenz und einer einfachen Widerstands-Kapazität-Parallelschaltung als Modell erlaubt, die im Rohr enthaltenen Sand- und Wasserhöhen zu bestimmen.

Abbildung 2: Resultierende Fläche zur Berechnung der Sandhöhe approximiert zu den Messpunkten (in Rot). x-Achse: Sandhöhe, y-Achse: C, z-Achse: R.

Schlagwörter: Impedanztomographie, Impedanzanalysator, Schaltungsmodell, Apfel

8. Juni 2020