Mikrowellenverfahren zur Feuchtemessung

Astrid Indefrey, Wintersemester 2011/12

Mikrowellenverfahren zur Feuchtemessung ist ein Zerstörungsfreies Verfahren, das zu den dielektrisches Verfahren zählt und über den Unterschied der Dielektrizitätszahlen von Wasser und Baustoffen den relativen Feuchtegehalt misst. Über die Rastermessung können ganze Flächen mit vielen Messpunkten aufgenommen werden, was zu einer guten Aussagekraft der Ergebnisse durch statistische Verteilung führt.

Einleitung

Feuchte ist eine der drei wesentlichen Einflussgrößen (mechanische Belastung, Temperatur, Feuchte) auf Bauwerke und somit eine wichtige Messgröße für das Bauwesen. Die Hälfte der Feuchteschäden entstehen im Inneren der Bauteile. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit die Feuchteverteilung, die Aufschluss über Richtung und Art der Feuchteerscheinung gibt, messen zu können. Mit Hilfe zerstörungsfreier Messverfahren kann kontinuierlich beobachtet werden und auch bei Instandsetzungsmaßnahmen die Wirksamkeit bzw. deren Fortschritt überprüft werden.

Geschichte

Das Mikrowellenverfahren ist seit über 50 Jahren bekannt. Als erstes wurde es in den USA zur Feuchtemessung bei der Herstellung von Papier angewendet. Seit etwa 15 Jahren wird es auch im Bauwesen angewendet. Die ersten Handgeräte haben etwa 5 Sekunden zur Aufnahme eines Messpunktes benötigt. Im Vergleich zu anderen Feuchtemesssystemen ist das eine recht schnelle Messung, stellt aber bei großen Flächen trotzdem einen enormen Zeitaufwand dar. Die neuesten Geräte ermöglichen eine Rasterfeuchtemessung mit vielen Messpunkten in Reihen und Spalten.

Physikalische Grundlagen

Material

Wasser sind Dipolmoleküle, daraus ergibt sich eine hohe Dielektrizitätszahl (DK) von freiem und physikalisch gebundenem Wasser. Bei 20 °C beträgt diese 80. Die DK beschreibt die Durchlässigkeit eines Materials für elektrische Felder. Wird von außen an einen Stoff ein elektrisches Feld angelegt, richten sich die im Material enthaltenen Wassermoleküle nach diesem aus (Polarisation). Chemisch gebundenes Wasser ist hat nur eine DK von 3 und kann nicht mit Hilfe des Mikrowellenverfahrens erfasst werden.

Die DK ist temperaturabhängig und beträgt für Wasser bei 50 °C nur noch 70. Wechselt Wasser seine Phase ändert sich die DK gravierend. Für Eis ergibt sich bei 10 GHz eine DK von ungefähr 3. Wasserdampf bei 145 °C und 101,32 kPa weist eine DK von 1 auf. Daraus folgt, dass sich das messtechnische Erfassen von Wasser mittels Mikrowellen auf den flüssigen Aggregatzustand beschränkt. Die DKs von Baustoffen liegen zwischen 2 und 10 (z.B. trockener Beton: 5,5). Je feuchter der Baustoff, desto höher die DK (z.B. nasser Beton: 12,5).

Weiter ist die DK frequenzabhängig. Bei Frequenzen unter 1000 GHz können die Dipole des Wassers dem Feld folgen, bei Frequenzen über 1000 GHz wird der Grenzwert der optischen DK erreicht. Es tritt zwischen der Polaristion der Moleküle und dem elektrischen Feld eine Phasenverschiebung auf, die eine Abnahme der DK bewirkt. Beim Mikrowellenverfahren macht man sich den großen Unterschied zwischen den DKs von Wasser und den Baustoffen zu Nutze. Zusätzlich gibt es die sogenannten dielektrischen Verluste. Diese beruhen auf der starken Bindung der Wassermoleküle untereinander (stoffinterne Reibung). Diese sind bei einer Frequenz von 20 GHz maximal. Bei genügend hoher Leistung führen diese Verluste zur Erwärmung wie bei einer Küchenmikrowelle.

Mikrowellen

Mikrowellen sind elektromagnetische Funkwellen. Die Frequenz liegt zwischen 300 MHz und 3 THz. Die Wellenlängen befinden sich im cm bis dm Bereich. In nicht magnetischen Medien hängt die Ausbreitgeschwindigkeit dieser Wellen von den dielektrischen Eigenschaften des Mediums ab.

$//<![CDATA[ \begin{array}{l}v = \frac{c}{\sqrt{\epsilon_r}}\end{array} //]]>$

$//<![CDATA[ \begin{array}{l}c\end{array} //]]>$: Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ($//<![CDATA[ \begin{array}{l}300 \frac{m}{s}\end{array} //]]>$)

$//<![CDATA[ \begin{array}{l}\epsilon_r\end{array} //]]>$: Dielektrizitätszahl

An der Grenze zweier Materialien mit unterschiedlicher DK wird die Welle reflektiert und gebrochen. Je größer der Unterschied der DK desto mehr wird die Welle reflektiert.

Messverfahren

Bei dem Messverfahren mit Mikrowellen handelt es sich um ein von außen an ein Material angelegtes elektromagnetisches Wechselfeld. Das heißt, die Moleküle des Materials rotieren mit der Frequenz des Feldes. Hat die Frequenz eine gewisse Höhe, rotieren nur noch die im Material vorhandenen Wassermoleküle.

Der Messeffekt ergibt sich aus einem Realteil (dem Unterschied der DKs) und einem Imaginärteil, der sich aus der dielektrischen Verlusten und den Leitfähigkeitsverlusten von Ionen zusammensetzt. Die Leitfähigkeitsverluste können ab einer Frequenz von 1 GHz vernachlässigt werden. Dies macht man sich beim Mikrowellenverfahren zur Feuchtemessung zu Nutze, indem man bei einer Frequenz von 2,45 GHz misst. Bei Frequenzen zwischen 2 GHz und 4 GHz variiert die Wellenlänge zwischen 7,5 cm und 15 cm. Der Vorteil dieser Wellenlänge ist, dass sich gut bündelnde Antennen mit einer handhabbaren Größe bauen lassen. Die Eindringtiefe ins Material und die Antennenabmessungen sind direkt von der Wellenlänge abhängig. Die verwendete Wellenlänge bildet somit einen Kompromiss zwischen der Antennengröße und der Eindringtiefe. Um die verschiedenen Messtiefen realisieren zu können, werden entweder Antennen oder Streufeldanordnungen im Messkopf verwendet.

Das Messverfahren ist indirekt, das heißt, der Feuchtegehalt einer Probe wird nicht direkt, sondern über die Messung des Mikrowellenreflexionsfaktors bestimmt.

Messprinzip

Es wird der Reflexionsfaktor $//<![CDATA[ \begin{array}{l}\rho\end{array} //]]>$ gemessen. Die Unterschiede zwischen der ins Material hineinlaufenden elektromagnetischen Welle und der vom Material reflektierten Welle ergeben sich aus der Dämpfung der Amplitude und der Phasenverschiebung, die sich aus Reflexion, Absorption, Brechung und Streuung ergibt. Der Reflexionsfaktor ist proportional zur Feuchte und weist eine hohe Stabilität gegen störende Einflüsse wie z.B. Temperatur auf, da die Veränderungen gleichermaßen auf Ausgangs- und Eingangssignal wirken. Ein zusätzlicher Vorteil von diesem Prinzip ist, dass der Zugang zum Material nur von einer Seite benötigt wird. Allerdings kann diese Messung nicht berührunglos erfolgen. Die am häufigsten eingesetzten Messanordnungen basieren auf Koaxial- und Hohlleitungen mit offenem Ende. Das offene Ende verursacht einen Reflexionsfaktor mit einem Betrag von ungefähr 1. Kommt das offene Leitungsende mit einem dielektrischen Medium in Berührung, ändert sich am Eingang der Leitung der Reflexionsfaktor.

$//<![CDATA[ \begin{array}{l}\rho = \frac{u_{rück}}{u_{hin}}\end{array} //]]>$

In erster Linie wird lediglich der Unterschied zwischen feucht und trocken gemessen. Die Messwerte können zwar baustoffabhängig kalibriert werden, aber die Kalibrierkurven, die den Zusammenhang zwischen elektrischer und optischer Größe und der Materialfeuchte darstellen, sind meist nicht linear. Die Kurven sind nur empirisch ermittelbar, das heißt anhand einer genügend großen Anzahl an Proben mit unterschiedlichen Feuchten. Als Referenzmethode wird das derzeit genaueste Verfahren, die Darr-Methode, angewendet. Bei der Entwicklung der Kalibrierkurve müssen stets reproduzierbare Bedingungen herrschen, da es hier sonst bereits zu Fehlern kommen kann, die auch das beste Gerät und die beste Messung nicht mehr kompensieren können. Aus diesem Grund werden in den häufigsten Fällen Relativmessungen durchgeführt. Das heißt es wird die feuchteabhängige Mikrowellenreflexion gemessen. Hierbei wird der sogenannte Feuchteindex FI angegeben. Der FI ist eine dimensionslose Zahl zwischen 0 und 4000, die in Relation zur jeweiligen Messumgebung verschiedene Werte hat. Die absolute Genauigkeit des Messsystems ist zwar wichtig, aber in erster Linie interessieren die Beobachtungen der räumlichen Feuchteverteilung über die Zeit. So können Feuchtequellen aufgespürt oder die Wirkung von Sanierungsmaßnahmen überprüft werden.

Sensoren

Die 2008 verfügbaren Sensoren gibt es für die Messtiefen 3, 6, 10, 25 und 80 cm.

MOIST SCAN

Der Mobilscanner MOIST SCAN wurde von hf-sensor GmbH entwickelt und ist das derzeit im Bauwesen am häufigsten verwendete Gerät. Hierbei handelt es sich um ein 20 kg schweres System mit einer Steuereinheit aus Touchpanel und Menüführung und einer Aufnahmestation für drei Sensoren mit unterschiedlicher Eindringtiefe und Sensoren zur Ortsbestimmung. Das heißt, es können mit einem Scan die Feuchteverteilung in drei Schichten aufgenommen werden. Es handelt sich um eine Rasterfeuchtemessung. Das heißt es werden viele Messpunkte aufgenommen, deren Werte anschließend als Bildpunkt dargestellt werden. Eine Absolutfeuchtemessung ist mit diesem Gerät allerdings nicht möglich. Die maximale Messfeldgröße beträgt 1 MVoxel, das entspricht ungefähr der Größe eines Fußballfeldes mit der Ortsauflösung von 10 cm. Grundsätzlich kann das Scanraster zwischen 5 cm und 200 cm variiert werden und die Messungen sind bei 0 °C bis 55 °C durchführbar. Die Verfahrensgeschwindigkeit beträgt 1 $//<![CDATA[ \begin{array}{l}\frac{m}{s}\end{array} //]]>$. So kann ein Mensch das Gerät zügig vor sich her schieben ohne für die einzelnen Messungen stehen bleiben zu müssen.

Bereits vor Ort können nach einem abgeschlossenen Scan erste Aussagen getroffen werden, da die Messwerte direkt auf dem Gerät graphisch dargestellt werden. Mit Hilfe des PCs sind die gewonnenen Daten als zwei- oder mehrdimensionale Graphik verarbeitbar.

Anwendungen im Bauwesen

• Bauwerke im Hochbau
• Betonbauwerke
• Straßen / Fahrbahnplatten
• Brücken
• Tunnel

→ Feuchteverteilungen großer Flächen

Messgerät

Unterschiedliche Materialien

In homogenen, unendlich ausgedehnten Medien bedeutet ein hoher FI-Wert eine hohe Feuchte und ein niedriger FI-Wert eine geringe Feuchte. Hat das Material Poren oder Hohlräume, wie es z.B. bei Hochlochziegeln der Fall ist, ist der Parameter unendlich ausgedehntes Material nicht mehr gegeben und es gibt bei der Messung innerhalb des Materials an den Schichtgrenzen Reflexionen. In diesen Fällen muss immer in Referenz zu trockenen Material gemessen werden, da durch die Überlagerungen der Reflexionen aufgrund Schichtgrenzen und Feuchtigkeit nicht automatisch gilt, dass ein hoher FI-Wert auch eine hohe Feuchte impliziert. Außerdem sind nur noch geringere Eindringtiefen möglich (12 cm bis 20 cm).

Bei unbewehrten Betonbauteilen hat das Rastermaß keinen Einfluss auf mögliche Messfehler bei der jeweiligen punktuellen Messung. Ausgehend von den Erfahrungen in der Praxis wird ein Raster zwischen 0,1 m und 0,5 m empfohlen.

Bei bewehrten Betonbauwerken (Stahlbeton) ergeben sich aus Lage und Dichte der Bewehrung zusätzliche Reflexionen. Das heißt, das Messraster sollte in der Größenordnung des Bewehrungsrasters oder kleiner (ca. 0,1 m) gewählt werden, damit die Bewehrung identifizierbar wird. Der Bewehrungsstahl wird als Einzelstörung oder als Gitter durch eine hyperbelförmige Abbildung in Richtung der Höhenkoordinate sichtbar. Da es sich bei der Bewehrung in der Regel um geordnete Strukturen handelt, kann sie relativ gut von Feuchteerscheinungen unterschieden werden. Ist die Wellenlänge im Material kleiner als das Bewehrungsraster und hat die Bewehrung einen nicht zu großen Durchmesser, wird das Bewehrungsgitter durchdrungen und die Bewehrung hat nur noch einen marginalen Einfluss auf das Ergebniss. Falls Wasser direkt an der Bewehrungskonstruktion vorhanden ist, kann es nicht erkannt werden. Im Falle von Schichtbaustoffen ist eine materialspezifische Kalibrierung nicht möglich, sodass nur der dimensionslose Feuchteindex gemessen werden kann. Durch Putz oder ähnliche Schichten kann das Gerät problemlos durchmessen.

Verschiedene messbare Feuchteerscheinungen

• Kondensatfeuchte: Nur Oberfläche betroffen
• Baurestfeuchte: Einzeln flächenhaft, jedoch nicht untereinander zusammenhängende Feuchteinseln im Volumen der Wand
• Aufsteigende Feuchte: Feuchtewerte der Oberflächenmessung nehmen von unten her schnell ab, bei Volumenmessung auch in größeren Höhen deutlich erhöhte Feuchtewerte
• Hygroskopische Feuchte durch Versalzung: Salze bleiben bei Verdunstung an Wandoberfläche und bei erhöhter Luftfeuchte führen die Salze zu Feuchteanreicherung an der Oberfläche -> ähnliches Bild wie bei Kondensatfeuchte => Auswertung weiterer bauklimatischer Parameter nötig
• Leckagen durch defekte Fugen: Eintrittsstellen von Wasser bei Volumenmessung erkennbar
• Wasserschäden: Große unregelmäßige Flächen erhöhter Feuchte
• Detektion von Fußbodenheizungen, Rohrleitungen

Vorteile

• Nur einseitiger Zugang ans Material nötig
• Mobiles Messsystem
• Leicht transportierbar, kompakt gebaut
• Geringer Zeitaufwand (1700 m² mit Ortsauflösung 25 cm in circa sechs Stunden aufnehmbar)
• Bildliche, graphische Darstellung der Ergebnisse
• Messwerte werden in Echtzeit ermittelt
• Oberflächenfeuchte keinen Einfluss auf Volumenmesskopf und umgekehrt
• Hohe Empfindlichkeit
• Geringe Einschwingzeit
• Kaum Querempfindlichkeit, da enge Wechselwirkung zwischen Mikrowellen und Wasser
• Unabhängig vom Versalzungsgrad des Bauwerks
• Rasterfeuchtemessung: Anzahl der Messwerte sichern das Ergebnis statistisch ab (selbst wenn Einzelmessung ungenauer als zerstörende Messung), Feuchteverteilungen, Ausreiser treten deutlich hervor
• Fehlertolerant durch statistische Methoden
• Mehrdimensionale Feuchteverteilung (verschiedene Schichten im nachbarschaftlichen Zusammenhang)
• Aussage über Herkunft und Ursache der Feuchte durch Kombination der Sensoren, die eine grobe Tiefenauflösung ermöglichen und somit die Richtung der Feuchtetransportvorgänge erfassen
• Keinerlei Vorbereitungen am Objekt, außer Trockenwischen kurz vor der Messung, nötig
• Verwendung von Antennen entschärft das Ankoplungsproblem
• Keine Gesundheitsgefahr durch Mikrowellen (Leistung < 1 mW)
• Einsatz an bewegten Messgütern möglich

Nachteile

• Seitliche Begrenzung des Messguts bei Volumenmessung (radiale Ausdehnung) mindestens 10 - 15 cm
• Mehrere Messungen v.a. bei denkmalgeschützten und älteren Bauwerken und Mittelwertbildung nötig, da häufig verschiedene Materialien beim Bau verwendet wurden und so Inhomogenitäten aufgrund Struktur und Feuchteverteilungen auftreten
• Raue und unebene Oberflächen könne Messfehler verursachen, wobei die Rauigkeit von Estrich, Ziegel oder Innenputz keinen nennenswerten Einfluss auf die Ergebnisse hat
• Kontakt zwischen Applikation und Messgut nötig
• Kalibrierung: nicht alle Baustoffe sind in Umrechnungstabellen enthalten

Beispiele

Feuchtescan zur Lecksuche im Schwimmbad

Hiebei handelt es sich häufig um das Auffinden kleiner Leckagen auf großen Flächen. In diesem Fall wurde in den Tiefen 10cm, 15cm und 20cm gemessen.

Im Oberflächenscan ist deutlich das im Schwimmbad vorhandene Spritzwasser, das sich unter den Fließen aber oberhalb der Abdichtung befindet erkennbar. Im Feuchtescan der Mittelschicht ist schon ein erhöhter Feuchteeintritt in der Mitte der Abbildung 4 (rot gekennzeichnet) erkennbar, der durch den Volumenscan bestätigt wird. Hier liegt eine Leckage vor. Die weiter auf dem Volumenscan erkennbaren zwei dunklen Punkte spiegeln die Wassereinläufe wider. Hierdurch wird deutlich, dass man sich vor allem vor Ort ein genaues Bild des Messgutes machen muss, um solche baulich vorgesehenen wasserfürenden Elemente erkennen und richtig auswerten zu können.

Feuchtescan zur Auffindung von Undichtigkeiten und Wasserpfaden auf einer Stahlbetondecke

Bei dieser Messung handelt es sich um unterkellerte Innenhöfe, bei denen die Kellerdecke aus Stahlbeton mit einer mehreren zentimeterdicken Bitumenlage als Abdichtung ausgeführt ist. Nachdem es geregnet hatte, trat an verschiedenen Stellen im Keller Wasser aus. Es sollten die bereits geschädigten Bereiche bzw. der Wasserpfad aufgefunden werden.

Im Oberflächenscan konnten keine Auffälligkeiten beobachtet werden. Im Volumenscan kann ein markanter Wasserpfad links unten im Bild (rot markiert) erkannt werde. In Verbindung mit dem hier nicht dargestellten Scan der Mittelschicht deutet dies auf einen Wasserientritt von oben oder von der Seite hin. Der durchgehende dunkle Streifen in der Mitte des Bildes zeigt die Entwässerungsrinne.

Anwendungen in anderen Disziplinen

• Monitoring von Bauwerken (benötigt robuste Feuchtesensoren mit Edelstahlgehäuse, da mechanische und chemische Belastung höher und es muss über 10 bis 20 Jahre sichergestellt sein, dass die metallische Sensorfläche nicht in Kontakt mit dem zu vermessenden Medium (z.B. Beton) kommt, da ansonsten chemische und galvanische Oberflächeneffekte auftreten können, die das Messsignal allmählich verfälschen)
• Holz, Papier, Mineralfaserplatten, Sandstein
• Geotechnik
• Schüttgüter (zahlreiche Industriebereiche)

Weitere Verfahren zur Feuchtemessung

• Thermogravimetrische Verfahren (z.B. Darrmethode)
• Analytische Verfahren (z.B. Calciumcarbitverfahren)
• Elektrische Verfahren (z.B. Kapazitative Verfahren, Leitfähigkeitsverfahren)
• Radiometrische Verfahren (z.B. Neutronenstrahlverfahren)
• Optische Verfahren (z.B. Infrarotreflexionsverfahren)
• Thermische Verfahren (z.B. Wärmeleitfähigkeitsverfahren)
• Hygrometrische Verfahren (z.B. Luftfeuchteausgleichsverfahren)
• Akustische Verfahren (z.B. Ultraschallverfahren)
• Zerstörungsarme Mikrowellenverfahren

Literatur

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• Göller, A.: MOIST SCAN – Multischicht-Feuchtescans auf großen Flächen in der Praxis. hf sensor GmbH, Leipzig. Abgerufen am 15.01.2012.
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• Allgemeine Anforderungen an Kapazitive-, Mikrowellen- und TDR- Sensoren zur präzisen Materialfeuchtemessung. IMKO GmbH.
• Hochfrequenztechnik Mikrowellentechnik Sensortechnik, Mikrowellen-Mobilscanner. hf sensor GmbH.
• Göller, A.: Mikrowellenbasierte Feuchtemessung im Raster, Neue Konzepte der Feuchtemessung in Bauwerken. hf sensor GmbH.
• Göller, A.: MOISTURE MAPPING - Feuchteverteilungen und Leckortungen in Stahlbeton. hf sensor GmbH.
• Göller, A.: Morphologie typischer Feuchteschäden in Baustoffen – Mehrdimensionale Beschreibung von Feuchteschäden mit Hilfe mikrowellenbasierter Rasterfeuchtemessungen. hf sensor GmbH.
• Göller, A.: Mobiler Mikrowellenscanner MOIST SCAN – Eine neue Ära der Bauwerksdiagnose. hf sensor GmbH.
• Brügge, F. M.: Zerstörungsfreie Feuchtemessverfahren mit Mikrowellen. 1998.
• Kupfer, K. und 21 Mitautoren: Materialfeuchtemessung – Grundlagen-Messverfahren-Applikationen-Normen. 1997.