Fiber-optic online pH-monitoring system

Fiber-optic online pH-monitoring system

Faseroptisches online pH-Monitoringsystem

In Zusammenarbeit mit den Projektpartnern BAM und MBF hat SCHMIDT + HAENSCH ein faseroptisches online pH-Monitoringsystem zur frühzeitigen Erkennung sicherheitsrelevanten Versagens von Betonstahl entwickelt.

Trotz größter Sorgfalt bei der Planung, Ausführung und Inspektion von Betonbauwerken treten infolge Korrosion immer wieder Schäden auf bzw. kostenaufwändig errichtete Bauwerke versagen plötzlich ohne vorherige Anzeichen durch Bruch der Stahlbewehrung. Solche zu spät erkannte Schäden führen in der Regel zu großen Folgeschäden. Vollständiges Bauteilversagen ist häufig mit unmittelbarer Gefährdung von Mensch und Umwelt verbunden.

Das Restrisiko von besonders stark korrosionsgefährdeten Bauwerken aus Stahlbeton (Bohrpfähle, Kühlturmschalen, Felsanker, Abwasserrohre) oder Spannbeton (Spannglieder in Brücken, Tragseil-Litzen, Verpressanker) lässt sich vermindern, wenn Informationen über die ausreichende Alkalität des Betons und damit über den intakten Korrosionsschutz des Stahls vorliegen. Dies trifft insbesondere zu bei Fundamenten in kohlensäurehaltigem Grundwasser oder bei Abwasseranlagen, bei denen biogene Schädigungen zusätzlich zu einer Tiefenschädigung der Zementsteinmatrix führen. Oft sind allerdings Aussagen über beginnende Korrosion unmöglich und daher besteht häufig Unsicherheit über die Integrität des Korrosionsschutzes. Nur eine in-situ-Überwachung des chemischen Zustands des zementgebundenen Materials in der Umgebung des Stahls mittels baustoff-integrierbarer pH-Sensoren kann den Nachweis des intakten Korrosionsschutzes liefern und frühzeitig korrosionsbedingte Schädigungen ankündigen.

SCHMIDT + HAENSCH hat in Zusammenarbeit mit BAM und MBF beton-integrierbare pH-Sensoren zur automatischen und zerstörungsfreien Überwachung der Alkalität des Betons entwickelt. Derartige Sensoren sind vorrangig bei Erstellung des Bauwerks in die Struktur einzubetten. Erste Testversuche laufen sehr erfolgreich.

Die Lebensdauer der Sensoren beträgt ca. 25 Jahre wodurch langzeitige Veränderungen des betonchemischen Zustands erfasst werden können. Im Falle geschädigter Bausubstanz ist eine Online-Lebensdauerabschätzung des Bauwerks bzw. die Lokalisierung besonders gefährdeter Bauteilbereiche möglich.

Messprinzip

Das Messverfahren beruht auf der Quotientenbildung der Reflexion von zwei speziellen Wellenlängen. Verwendet werden LED’s mit den Wellenlängen 495 und 605 nm. Es wird gewährleistet, dass jederzeit eine Referenzmessung vorgenommen werden kann, um einen eventuellen Drift der Intensitäten kompensieren zu können.

Das optische Messsystem hat die Aufgabe, die zwei Wellenlängen nacheinander einzuschalten und das Licht kollinear über ein Glasfaserbündel zum Sensorkopf zu leiten. Dazu werden die LED’s sequentiell eingeschaltet und neben der zurückreflektierten Intensität auch die ins System emittierte Strahlung mit dem Referenz-Detektor gemessen. Die Zusammenführung der beiden Farben erfolgt fast verlustfrei über einen dielektrischen Spiegel. Am anderen Sensorende befindet sich die pH- empfindliche Membran und reflektiert je nach Färbung beide Anteile unterschiedlich stark. Die rückreflektierte Intensität wird über den Teilerspiegel zur Messkanal reflektiert und dort gemessen.

specifications

Technische Funktionalität

Messbereich pH-Werte von 12,0 bis 9,0
Auflösung von pH-Wert-Änderungen ± 0,5 pH
Ansprechzeit < 3 h
Messfühler Einkanal-Messsonde
Länge der Sensorzuleitungen bis 50 m (Sensorzuleitungen vom Messkopf trennbar)

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