DE102019217519A1

DE102019217519A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Permeabilitätsprüfung von porösen Medien

Info

Publication number: DE102019217519A1
Application number: DE102019217519.8A
Authority: DE
Inventors: Roman Braun
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2019-11-13
Filing date: 2019-11-13
Publication date: 2021-05-20
Anticipated expiration: 2039-11-14
Also published as: WO2021094492A1; DE102019217519B4

Abstract

Permeameter, mit mindestens einer Kavität, die zumindest in einem ersten Abschnitt (5) eine quaderförmige Grundform aufweist, mindestens einer beweglichen oder durch Aufdickungen veränderlichen Begrenzungswand (1, 2, 3, 4) des ersten Abschnitts (5) der Kavität, die ausgebildet ist, das Volumen des ersten Abschnitts (5) der Kavität einzustellen, mindestens einer ersten Öffnung (100) in mindestens einer Mantelfläche (6, 7, 8, 9), die ausgebildet ist, eine Flüssigkeit (50) in den ersten Abschnitt (5) der Kavität zu leiten, mindestens einer Begrenzungswand (1, 2, 3, 4), die ausgebildet ist, die Beobachtung der Flüssigkeit (50) im ersten Abschnitt (5) der Kavität zuzulassen, gekennzeichnet durch mindestens eine offene Stirnseite (10, 10') des ersten Abschnitts (5) der Kavität.

Description

Die Schutzrechtsanmeldung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Prüfung der Permeabilität poröser Medien, insbesondere von Feststoffen, die durch eine poröse oder gefaserte Struktur gekennzeichnet sind, wie beispielsweise Kohlenstoff-, Glas-, Basalt-, Aramid- oder Kunststofffasern. Die Permeabilität beschreibt die Fluidleitfähigkeit des porösen Mediums, die im Allgemeinen richtungsabhängig ist und mit Fluidleitfähigkeiten in drei räumlich-orthogonalen Hauptachsenrichtungen angeben werden kann. Dieser physikalische Zusammenhang kann mit Hilfe eines Permeabilitätstensors mathematisch abgebildet werden. Die Elemente des Permeabilitätstensors werden im Folgenden als Permeabilitäten bezeichnet. Ihre Werte werden im Zuge einer Permeabilitätsprüfung teilweise oder vollständig ermittelt.
Technische Bedeutung besitzen die Permeabilitäten unter anderem bei der Herstellung von Verbundwerkstoffen, beispielsweise Faser-Kunststoff-Verbunden wie unter anderem Kohlenstofffaser-Kunststoff-Verbund (CFK) und Glasfaser-Kunststoff-Verbund (GFK), da im Herstellungsprozess Aufbauten aus Kohlenstoff-, Glas-, Basalt-, Aramid- oder Kunststofffasern von flüssigen Kunststoffen im Rahmen eines Tränkvorgangs durchflossen werden. Um die projektierten Materialeigenschaften der Verbundwerkstoffe zu erhalten, ist es notwendig, dass die Aufbauten vor Einsetzen des Aushärtungsprozesses möglichst vollständig mit den flüssigen Kunststoffen getränkt werden und dabei weder Lufteinschlüsse entstehen noch trockene Stellen übrig bleiben. Aus wirtschaftlichen Gründen wird oft ein möglichst kurzer Tränkprozess angestrebt. Zur technischen Auslegung dieses Fertigungsprozesses ist neben der Kenntnis der Viskosität des flüssigen Kunststoffes die Kenntnis der Permeabilitäten des Fasermaterials notwendig.
Bekannte Prüfvorrichtungen benötigen für die Bestimmung der Permeabilitäten eine Materialprobe des zu prüfenden Stoffes, die aus dem zu prüfenden Stoff beispielsweise durch ein technisches Trennverfahren herausgelöst wird. Die Nachteile dieser Methodik bestehen darin, dass zum einen ein gegebenenfalls aufwändiges Trennverfahren ausgeführt werden muss und zum anderen die aus dem zu prüfenden Stoff herausgelöste Materialprobe Veränderungen in den Materialeigenschaften zeigt, die sich vom nicht durchtrennten Material unterscheiden. Diese Unterschiede können zu fehlerbehafteten Permeabilitätswerten, zu einem unwirtschaftlicheren Tränkprozess und zu einer verminderten Qualität der Verbundstoffe führen.
Die Aufgabe der offenbarten Vorrichtung und des offenbarten Verfahrens besteht darin, die beschriebenen Nachteile bekannter Prüfvorrichtungen für die Bestimmung der Permeabilitäten zu beheben. Diese Aufgabe wird durch die offenbarte Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 und das Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17 gelöst. Insbesondere wird die Aufgabe gelöst durch die offenbarte Vorrichtung und das offenbarte Verfahren zur Permeabilitätsprüfung, mit denen die Permeabilitätsparameter eines Probekörpers, der aus dem zu prüfenden Stoff besteht, ohne das Heraustrennen einer Materialprobe bestimmt werden können. Die Vorrichtung zur Prüfung der Permeabilitäten wird im Folgenden als Permeameter bezeichnet.
Das offenbarte Permeameter enthält mindestens eine Kavität mit mindestens einem ersten Abschnitt, der eine quaderförmige Grundform aufweist. Eine quaderförmige Grundform bedeutet, dass die Form im Wesentlichen quaderförmig ist, aber lokal begrenzt Abweichungen zulässig sind. Abweichungen können beispielsweise lokale Öffnungen in der Mantelfläche der Kavität sein, oder auch lokale Verrundungen, Ausnehmungen oder andere Deformationen in der Mantelfläche. Die quaderförmige Grundform weist zum einen den Vorteil auf, dass eine Volumenanpassung der Kavität mechanisch sehr gut möglich ist und zum anderen die räumliche Ausrichtung ihrer Ränder an die orthogonalen Hauptachsenrichtungen des Permeabilitätstensors angepasst sein kann, der in diesem Fall die besonders einfache Diagonalform annimmt: $K = (\begin{matrix} k_{1} & 0 & 0 \\ 0 & K_{2} & 0 \\ 0 & 0 & K_{3} \end{matrix})$
K₁, K₂ und K₃ werden als Hauptpermeabilitäten bezeichnet.
Prinzipiell sind jedoch auch andere geometrische Formen, wie zum Beispiel Zylinder mit einer Kreis- oder Prismen mit einer Polygongrundfläche, des ersten Abschnitts der Kavität denkbar, beispielsweise, wenn der Permeabilitätssensor in anderen Koordinatensystemen dargestellt werden soll. Beispiele für andere Koordinatensysteme sind, unter anderem, Kugel- oder Zylinderkoordinatensysteme. Es ist auch denkbar, dass die Kavität insgesamt mehrere Abschnitte umfasst, wobei jeder Abschnitt eine andere geometrische Form aufweisen kann. Dies kann insbesondere vorteilhaft sein, um die Kavität in einen größeren Aufbau zu integrieren oder weitere funktionale Elemente mit der Kavität zu verbinden, beispielsweise um die Bedienung zu vereinfachen oder die Messgenauigkeit oder Wiederholbarkeit von Messungen zu verbessern.
Das offenbarte Permeameter weist im ersten Abschnitt der Kavität mindestens eine bewegliche oder durch Aufdickungen veränderliche Begrenzungswand auf, die ausgebildet ist, das Volumen des ersten Abschnitts der Kavität einzustellen. Unter Aufdickungen werden insbesondere Vorrichtungen verstanden, die ausgebildet sind, das Volumen einer Begrenzungswand zu verändern, beispielsweise durch hydraulische oder pneumatische Stellglieder, die ein inneres Volumen einer Begrenzungswand mit Druck beaufschlagen und somit das äußere Volumen der Begrenzungswand ändern oder auch mit der Begrenzungswand in Verbindung stehende und auch separierbare Einschübe, Aufsätze oder weitere separat bewegliche Teile der Begrenzungswand. Die Möglichkeit, das Volumen der Kavität einstellen zu können, kann in bestimmten Ausführungsformen wichtig sein, da die Permeabilitäten des Probekörpers eng mit dessen Porosität zusammenhängen, wobei die Porosität das Verhältnis von Luftvolumen zum Gesamtvolumen wiedergibt. Das bedeutet, dass bei festem Volumen des sich im ersten Abschnitt der Kavität befindlichen Teils des Probekörpers dessen Porosität über die Variation des Volumens des ersten Abschnitts der Kavität eingestellt werden kann.
Die Einstellung des Kavitätsvolumens kann beispielsweise durch ein Verschieben der Begrenzungswand erfolgen. Sie kann auch durch das Einbringen einer flüssigkeitsundurchlässigen Aufdickung an einer oder mehreren Begrenzungswänden erfolgen, die einen Teil des Volumens einnimmt und das Probenvolumen dadurch verändert.
Wenn von der quaderförmigen Grundform abweichende geometrische Formen für den ersten Abschnitt der Kavität gewählt werden, dann kann die bewegliche Begrenzungswand beispielsweise über eine pneumatisch oder hydraulisch dehnbare Druckmanschette realisiert werden, die in diesem Fall um den Probekörper angeordnet werden kann, wobei das von der Druckmanschette umschlossene Volumen pneumatisch oder hydraulisch durch Druckvariation eingestellt wird.
Das offenbarte Permeameter besitzt in mindestens einer Mantelfläche des ersten Abschnitts der Kavität mindestens eine erste Öffnung, die dazu ausgebildet ist, eine Flüssigkeit in den ersten Abschnitt der Kavität zu leiten. Diese Flüssigkeit, bei der es sich um eine Testflüssigkeit handelt, wird mit dem Ziel in den ersten Abschnitt der Kavität geleitet, die Flüssigkeit mit dem Probekörper in Kontakt zu bringen und die Ausbreitung der Flüssigkeit im Probekörper zu beobachten. Zur Inkontaktbringung ist es insbesondere vorteilhaft, darauf zu achten, dass der Probekörper mit den Mantelflächen der Begrenzungswände in direktem und engem Kontakt steht, so dass die Flüssigkeit, wenn sie, ausgehend von der ersten Öffnung, innerhalb der Kavität mit dem Probekörper in Kontakt tritt, sich nicht am Probekörper vorbei in der Kavität sammelt, sondern, definiert durch die geometrische Form der ersten Öffnung, über einen durch die geometrische Form der ersten Öffnung bekannten Oberflächenabschnitt in den Probekörper eintritt. Der Kontakt zwischen Probekörper und Mantelfläche kann beispielsweise mit der Einstellung des Volumens des ersten Abschnittes der Kavität variiert werden, wobei diese Einstellmöglichkeit durch die Beweglichkeit oder Veränderbarkeit mindestens einer Begrenzungswand des ersten Abschnitts der Kavität erzielt wird.
Um die Ausbreitung der Flüssigkeit im Probekörper beobachten zu können, ist es erforderlich, dass mindestens eine Begrenzungswand des ersten Abschnittes der Kavität ausgebildet ist, die Beobachtung der Flüssigkeit im ersten Abschnitt der Kavität zuzulassen. Die sich daraus ergebenden konkreten Anforderungen an die Eigenschaften der Begrenzungswand resultieren direkt aus der Eigenart der verwendeten Beobachtungsmethode bzw. den verwendeten Sensoren. Im Falle optischer Sensoren, wie bei beispielsweise einer Kamera, muss mindestens eine Begrenzungswand eine optische Beobachtung zulassen, d.h. zumindest teilweise transparent ausgeführt sein. Bei Verwendung von Sensoren in einem anderen Bereich elektromagnetischer Wellen muss mindestens eine Begrenzungswand durchlässig sein für die zur Beobachtung genutzte elektromagnetische Wellenlänge. Bei Verwendung von beispielsweise Ultraschallsensoren muss die Begrenzungswand durchlässig für Ultraschall sein. Gegebenenfalls muss hierbei, für eine Impedanzanpassung, die Möglichkeit geschaffen werden, ein Zwischenmedium, beispielsweise ein Gel, auf die zur Beobachtung genutzte Begrenzungswand aufzutragen. Weitere sensorische Beobachtungsmöglichkeiten bestehen in der Nutzung kapazitiver oder induktiver Sensoren oder auch Drucksensoren. Die Beschaffenheit der Begrenzungswände muss an die verwendete Sensortechnik angepasst sein.
Ein Merkmal des offenbarten Permeameters, das in bestimmten Ausführungsformen wichtig sein kann, ist, dass mindestens eine Stirnseite des ersten Abschnitts der Kavität offen, d.h. nicht von einer Begrenzungswand begrenzt oder abgeschlossen ist. Der Vorteil, der sich aus diesem Merkmal ergibt, besteht darin, dass der Probekörper in den ersten Abschnitt der Kavität eingelegt werden kann, ohne dass vorher ein geeigneter Abschnitt aus dem zu prüfenden Material herausgetrennt werden muss. Durch dieses Merkmal entfällt zum einen ein vorheriger Bearbeitungsschritt, der mit Kosten verbunden ist. Zum anderen erhöht sich die Qualität des Probekörpers, da durch einen vorherigen Trennvorgang Inhomogenitäten im Probekörper entstehen, die die mit dem Permeameter zu ermittelnden Eigenschaften des Probekörpers im Vergleich zum unbearbeiteten Probekörper verändern. Die durch den bislang notwendigen Trennvorgang verursachten Verfälschungen im Prüfergebnis können somit umgangen werden. Ein weiterer Vorteil, der sich aus der geöffneten Stirnseite oder den geöffneten Stirnseiten ergibt, ist, dass der Probekörper während der Prüfung von außen zugänglich ist. Er kann dadurch beispielsweise durch Aufbringen einer mechanischen Vorspannung in einen Zustand gebracht werden, der für das Material als charakteristisch betrachtet wird. Charakteristisch kann beispielsweise ein Zustand sein, den das Material während eines Fertigungsprozesses einnimmt.
Das offenbarte Permeameter ist ferner optional dadurch gekennzeichnet, dass es mindestens einen Anschluss zur Aufnahme von Flüssigkeiten aufweist, der ausgebildet ist, Flüssigkeit aufzunehmen und an mindestens eine erste Öffnung weiterzuleiten. Optional ist es möglich, dass dieser Anschluss als Druckanschluss ausgebildet ist, so dass auch unter Druck stehende Flüssigkeiten durch diesen Anschluss aufgenommen werden können. Dieser Druckanschluss kann auf verschiedene Weisen ausgeführt werden. Beispielsweise kann der Druckanschluss über ein Innen- oder Außengewinde verfügen, so dass als Verbindungsmöglichkeit eine Verschraubung in Frage kommt. Gleichfalls ist auch ein Bajonett-Verschluss denkbar, so dass sich die Zuführung auch bei unter Druck stehenden Flüssigkeiten nicht öffnet. Im Regelfall ist es zweckmäßig, den Anschluss mit einer Dichtung zu versehen, beispielsweise in Form eines O-Rings aus einem dichtenden Material wie beispielsweise Gummi. Andere für eine Abdichtung geeignete Materialien sind zum Beispiel Kitt oder auch Hanffasern.
Ein optionales Merkmal des offenbarten Permeameters besteht darin, dass der Öffnungsquerschnitt der ersten Öffnung eine rechteckige Form aufweist. Der Vorteil, der sich aus diesem Merkmal ergibt, ist, dass sich für eine spätere Auswertung der Ausbreitungsdaten eine an das genutzte rechtwinklige Koordinatensystem angepasste Eintrittsstelle für die Flüssigkeit in den Probekörper ergibt. Wenn jedoch eine von einem Quader abweichende geometrische Grundform für den ersten Abschnitt der Kavität gewählt wird, dann kann es unter Umständen vorteilhaft sein, eine andere geometrische Form für den Querschnitt der ersten Öffnung zu wählen. Beispiele hierfür können eine Kreisform, Ellipsenform oder ein Querschnitt in Form eines oder mehrerer Schlitze oder eines Polygons sein.
Wird jedoch eine rechteckige Form für den Querschnitt der ersten Öffnung gewählt, dann kann optional eine Seite der ersten Öffnung parallel zu mindestens einer Seite einer Mantelfläche einer Begrenzungswand des ersten Abschnittes der Kavität ausgerichtet werden. Der sich daraus ergebende Vorteil besteht in der Vereinfachung bei der Auswertung der zeitlichen Ausbreitung der Flüssigkeit im Probekörper. Optional kann mindestens eine Länge einer Seite des rechteckigen Öffnungsquerschnitts der ersten Öffnung, die entlang einer ersten Richtung ausgerichtet ist, mindestens 80 Prozent der Länge einer Seite der jeweiligen Mantelfläche, in der sich die erste Öffnung befindet und die entlang der ersten Richtung ausgerichtet ist, aufweisen. Insbesondere ist es auch optional möglich, dass die Länge einer Seite des rechteckigen Öffnungsquerschnitts der ersten Öffnung statt mindestens 80 Prozent sogar 100 Prozent der Länge einer Seite der jeweiligen Mantelfläche, in der sich die erste Öffnung befindet und die entlang der ersten Richtung ausgerichtet ist, aufweist. Der Vorteil, der sich aus dieser Option ergibt, besteht darin, dass die Strömung der Flüssigkeit durch den Probekörper eine Richtungsabhängigkeit weniger aufweist und sich die Auswertung der Prüfung auf diesem Wege vereinfacht.
Ein optionales Merkmal des offenbarten Permeameters besteht darin, dass maximal drei der Begrenzungswände des ersten Abschnitts der Kavität feststehend miteinander verbunden sein können. Daraus resultiert der Vorteil, dass der Aufwand, der für die Sicherstellung der Beweglichkeit oder Veränderbarkeit der Begrenzungswände auf lediglich eine Begrenzungswand reduziert ist. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, den Probekörper nach Entfernen der beweglichen Begrenzungswand in den ersten Abschnitt der Kavität einlegen zu können und den ersten Abschnitt der Kavität nach Einlegen des Probekörpers durch Wiedereinfügen der vorherig entfernten Begrenzungswand wieder zu schließen.
Ein optionales Element des offenbarten Permeameters besteht in der bildgebenden Einheit, die ausgebildet ist, die Ausbreitung von Flüssigkeit im ersten Abschnitt der Kavität in einem oder mehreren Bildern abzubilden. Bei der bildgebenden Einheit kann es sich um eine Kamera im optischen Bereich handeln, aber auch um eine Vorrichtung, die ein bildgebendes Verfahren unter Nutzung nicht-optischer Sensoren beinhaltet, beispielsweise um ein bildgebendes Verfahren und Nutzung elektromagnetischer Wellen im nichtoptischen Bereich, eine Ultraschallbildgebung, oder auch ein Verfahren, dass mit Hilfe kapazitiver oder induktiver Sensoren oder Drucksensoren eine räumliche Abtastung durchführt und daraus Bilder erstellt.
Optional besteht die Möglichkeit, dass mindestens auf einer oder neben einer der Begrenzungswände eine vom bildgebenden System erfassbare Skala angebracht ist, die in den erzeugten Bildern sichtbar ist. Der Vorteil dieser Skala besteht darin, dass die räumliche Ausbreitung der Flüssigkeit, die in den aufgezeichneten Bildern dargestellt wird, bereits in den Bildern eine Bemaßung erhält. Die Auswertung der Bilder wird auf diese Art und Weise vereinfacht, da aus den Bildern die Ausbreitung der Flüssigkeit direkt in physikalischen Größen, d.h. Längenmaßen, abgelesen werden kann.
Insbesondere wird damit auch die Funktionalität einer optionalen Verarbeitungseinheit vereinfacht, die dazu ausgebildet ist, die Ausbreitung der Flüssigkeit in den Bildern der bildgebenden Einheit zu erkennen. Diese Verarbeitungseinheit verwendet vorzugsweise Bildverarbeitungsverfahren zur Erkennung der Flüssigkeit in den aufgezeichneten Bildern. Optional ist die Verarbeitungseinheit dazu ausgebildet, aus dem zeitlichen Verlauf der Ausbreitung der Flüssigkeit eine oder mehrere Permeabilitäten eines Probekörpers unter Nutzung aus der Literatur bekannter Verfahren zu berechnen.
Offenbart wird auch ein Verfahren zu Permeabilitätsprüfung mittels des offenbarten Permeameters, wobei ein Probekörper in den ersten Abschnitt der Kavität eingebracht wird, mindestens eine der Begrenzungswände so bewegt oder so aufgedickt wird, dass der erste Abschnitt der Kavität ein vorbestimmtes Volumen einnimmt und auf diese Weise die Porosität des Probekörpers konfiguriert wird, Flüssigkeit über den Anschluss zur Aufnahme von Flüssigkeiten zugeführt wird und die Ausbreitung der Flüssigkeit im ersten Abschnitt der Kavität beobachtet wird. Die Ausbreitung der Flüssigkeit im ersten Abschnitt der Kavität vollzieht sich im Wesentlichen innerhalb des Probekörpers. Allerdings kann es in bestimmten Ausführungsformen auch wichtig sein, eine eventuelle Ausbreitung der Flüssigkeit im gegebenenfalls nicht vom Probekörper eingenommenen Teil der Kavität zu erkennen, da eine solche Ausbreitung nicht gewollt ist und zur Verfälschung der Prüfergebnisse führen kann. Die Beobachtung der Ausbreitung der Flüssigkeit in der Kavität stellt somit auch ein Mittel zur Qualitätskontrolle dar.
Die Ausbreitung der Flüssigkeit im ersten Abschnitt der Kavität kann optional in einem oder mehreren Bildern, die durch eine bildgebende Einheit erzeugt werden, abgebildet werden. Die optionale Nutzung einer bildgebenden Einheit im offenbarten Verfahren ist vorteilhaft, weil damit eine Trennung der Auswertung vom eigentlichen Versuch möglich ist und darüber hinaus gleichzeitig eine Dokumentation der Prüfung durchgeführt wird. Diese Dokumentation führt dazu, dass die Prüfungsergebnisse auch später nachvollzogen werden können und eine Qualitätskontrolle der Prüfungsdurchführung ermöglicht wird.
Optional ist es im offenbarten Verfahren möglich, die zeitliche Ausbreitung der Flüssigkeit in einem, mehreren oder jedem von der bildgebenden Einheit erzeugten Bildern zu detektieren. Beispielsweise können in einem solchen Verfahren Helligkeitswerte oder Farbwerte der Bildpunkte genutzt werden, um die Flüssigkeit in den Bildern von der Umgebung zu unterscheiden. Dabei werden jeweils die Parameter der Bildpunkte, d.h. beispielsweise Helligkeits- oder Farbwerte, mit Schwellwerten verglichen und anhand des Vergleichsergebnisses entschieden, ob der Bildpunkt Flüssigkeit darstellt oder nicht. Prinzipiell können verschiedene Parameter zur Entscheidungsfindung genutzt werden. Als Entscheidungsverfahren können beispielsweise künstliche neuronale Netzwerke, Entscheidungsbäume, Support Vector Machines oder andere bekannte Verfahren, die beispielsweise auf statistischen Modellen basieren können, verwendet werden.
Es ist ferner optional möglich, aus dem zeitlichen Verlauf der Ausbreitung der Flüssigkeit eine oder mehrere Kennzahlen zu berechnen, die eine oder mehrere Permeabilitäten des Probekörpers beschreiben, wobei diese Kennzahlen die Permeabilitäten selbst sein können als auch daraus abgeleitete Größen. Die Berechnung kann mit Nutzung aus der Literatur bekannter Verfahren durchgeführt werden.
Optional ist es im offenbarten Verfahren möglich, dass der Probekörper während der Permeabilitätsprüfung bewegt wird. Diese optionale Verfahrensmöglichkeit, die sich aus dem offenbarten Permeameter, insbesondere aus zwei offenen Stirnseiten ergibt, eröffnet die Option, dass das zu prüfende Material während der Permeabilitätsprüfung durch die Kavität des Permeameters hindurchgezogen wird. Damit entsteht die Möglichkeit, ein Probenvolumen zu prüfen, das das Kavitätsvolumen deutlich übersteigt und damit zu einer höheren statistischen Aussagekraft führt.
Im Folgenden werden anhand von Figuren Ausführungsbeispiele gezeigt und nachfolgend erläutert. Dabei zeigt

1: den ersten Abschnitt der Kavität mit den Begrenzungselementen,
2: den ersten Abschnitt der Kavität mit den Öffnungen für die Flüssigkeit,
3: Anschlüsse für die druckbeaufschlagte Flüssigkeitszufuhr,
4: den ersten Abschnitt der Kavität mit eingelegtem Probekörper,
5: den ersten Abschnitt der Kavität mit einer Bemaßung, einer bildgebenden Einheit und einer Verarbeitungseinheit,
6: die Schrittfolge des Verfahrens zur Permeabilitätsprüfung von porösen Medien.

1 zeigt den grundlegenden Aufbau des ersten Abschnittes 5 der Kavität. Der erste Abschnitt der Kavität 5 besitzt eine quaderförmige Grundform und wird von vier Begrenzungswänden 1, 2, 3 und 4 begrenzt, wobei die Begrenzungswände orthogonal zueinander angeordnet sind. Quaderförmige Grundform bedeutet, dass lokal begrenzte Abweichungen von der quaderförmigen Form zulässig sind. Der erste Abschnitt der Kavität 5 besitzt Mantelflächen 6, 7, 8 und 9, die im Wesentlichen eine rechteckige Flächengestalt aufweisen, wobei lokale Abweichungen von der rechteckigen Grundform zulässig sind. Abweichungen können lokale Ausnehmungen oder Erhebungen sein, wie beispielsweise Verrundungen, Öffnungen oder Befestigungen. Gezeigt sind offene Stirnseiten 10 und 10', d.h. an diesen Seiten befindet sich keine Begrenzungswand, die die Kavität an den Stirnseiten abschließt.
2 zeigt den ersten Abschnitt 5 der Kavität mit den vier orthogonal zueinander angeordneten Begrenzungswänden 1, 2, 3 und 4 und den Mantelflächen 6, 7, 8 und 9. Darüber hinaus ist in einer der Begrenzungswände 1, 2, 3 oder 4, in diesem Beispiel in der Begrenzungswand 3, ein Anschluss zur Aufnahme von Flüssigkeiten 200 eingebracht. Dieser Anschluss dient der Zufuhr von Flüssigkeit 50, deren Ausbreitung in der Kavität des Permeameters beobachtet werden soll. Darüber hinaus zeigt 2 die dem ersten Abschnitt 5 der Kavität zugewandte erste Öffnung 100 in der Mantelfläche 8 des ersten Abschnitts 5 der Kavität, die dazu ausgebildet ist, Flüssigkeit 50 in die Kavität zu leiten. Die erste Öffnung 100 wird über die Verbindung 201 und den Anschluss zur Aufnahme von Flüssigkeiten 200 mit Flüssigkeit 50 versorgt. In diesem Beispiel besitzt die erste Öffnung 100 mit dem rechteckigen Öffnungsquerschnitt eine erste Seite 101 und eine zweite Seite 102. Die erste Seite 101 ist orthogonal zur Schnittlinie 103 der Mantelflächen 6 und 8 ausgerichtet und weist eine Länge auf, die dem Abstand zwischen der Schnittlinie 103 der Mantelflächen 6 und 8 und der Schnittlinie 104 der Mantelflächen 7 und 8 entspricht.
3 zeigt beispielhaft mögliche Formen für einen Druckanschluss 210 oder 220 an der Öffnung 200. Dabei ist sowohl ein Druckanschluss mit einem Innengewinde 210 als auch ein Druckanschluss mit einem Außengewinde 220 möglich. Prinzipiell kann der Anschluss zur Aufnahme von Flüssigkeiten 200, optional auch mit Druckanschluss, in jeder der Begrenzungswände 1, 2, 3 oder 4 angeordnet sein.
4 zeigt den in den ersten Abschnitt 5 eingelegten Probekörper 60. Insbesondere wird gezeigt, dass der Probekörper 60 den ersten Abschnitt 5 der Kavität vorzugsweise vollständig ausfüllt, so dass zwischen Probekörper 60 und den Mantelflächen 6, 7, 8, 9 des ersten Abschnitts keine offenen Hohlräume entstehen. Das Volumen des ersten Abschnitts der Kavität kann zu diesem Zweck angepasst werden, in dem mindestens eine der Begrenzungswände 1, 2, 3 oder 4 beweglich angeordnet ist oder eine Aufdickung mit in den ersten Abschnitt 5 der Kavität eingebracht wird, die einen Teil des Volumens ausfüllt. Mit der Beweglichkeit mindestens einer der Begrenzungswände 1, 2, 3 oder 4 und der Wahl einer geeigneten Aufdickung kann zudem die Porosität des Probekörpers eingestellt werden, wobei die Porosität das Verhältnis von Luftvolumen zum Gesamtvolumen wiedergibt. Darüber hinaus wird der in den ersten Abschnitt 5 der Kavität eingelegte Probekörper 60 in einer seitlichen Ansicht dargestellt. Der Probekörper 60 ragt dabei aus dem ersten Abschnitt 5 der Kavität deutlich heraus. Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass der Probekörper 60 nicht aufgetrennt werden muss sondern als Ganzes in den ersten Abschnitt 5 der Kavität eingelegt werden kann. Damit entfallen durch den Trennvorgang entstehende Inhomogenitäten an den Trennstellen und potentielle Fehler bei der Bestimmung der Permeabilitäten.
5 zeigt den ersten Abschnitt 5 der Kavität mit seinen Begrenzungswänden 1, 2, 3 und 4 sowie einer Markierung 70 auf mindestens einer der Begrenzungswände 1, 2, 3 und 4. Prinzipiell kann die Markierung 70 auch neben dem ersten Abschnitt 5 der Kavität angeordnet sein, beispielsweise auf einer hier nicht gezeigten weiteren Vorrichtung. Die Markierung 70 kann jedoch auch auf mindestens einer Mantelfläche 6, 7, 8 oder 9 oder auch im Inneren mindestens einer Begrenzungswand 1, 2, 3 oder 4 angeordnet sein. Die Markierung 70 ist in jedem dieser Fälle so ausgebildet, dass sie in den von der bildgebenden Einheit 300 erzeugten Bildern 320 abgebildet wird. Die bildgebende Einheit 300 erzeugt Bilder 320 mit jeweils einem Bildausschnitt 301, auf dem die Ausbreitung der Flüssigkeit 50 dargestellt wird. 5 zeigt darüber hinaus die Verarbeitungseinheit 400, die dazu ausgebildet ist, die Ausbreitung der Flüssigkeit 50 in den von der bildgebenden Einheit 300 erzeugten Bildern 320 zu erkennen und aus dem zeitlichen Verlauf der Ausbreitung der Flüssigkeit 50 eine oder mehrere Permeabilitäten des Probekörpers 60 zu berechnen.
6 zeigt die Schrittfolge S1 bis S6 des offenbarten Verfahrens. In einem ersten Schritt S1 wird der Probekörper 60 in den ersten Abschnitt 5 der Kavität eingelegt. Dies kann beispielsweise über eine offene Stirnseite (10, 10') erfolgen oder aber auch, indem eine Begrenzungswand 1, 2, 3, oder 4 temporär entfernt wird, um den Probekörper 60 einzulegen und anschließend wieder angeordnet wird, um nachfolgend wieder als Begrenzungswand 1, 2, 3, oder 4 des ersten Abschnitts 5 der Kavität zu dienen. In einem zweiten Schritt S2 wird die Porosität des Probekörpers 60 eingestellt, indem das Volumen des ersten Abschnitts 5 der Kavität mit Hilfe mindestens einer beweglichen Begrenzungswand 1, 2, 3 oder 4 justiert wird oder indem eine Aufdickung an mindestens eine Begrenzungswand 1, 2, 3 oder 4 eingelegt wird. In einem dritten Schritt S3 wird die Flüssigkeit 50 in den ersten Abschnitt 5 der Kavität injiziert. Die Injektion erfolgt im Allgemeinen mit einem vorgegebenen Injektionsdruck, der auch die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit 50 innerhalb der Kavität beeinflusst. Die Injektion kann alternativ auch mit einem konstanten Volumenstrom erfolgen. Die Flüssigkeit 50 kann im Vorfeld mit Farbpigmenten versehen werden, so dass ihre Ausbreitung im ersten Abschnitt 5 der Kavität in einem vierten Verfahrensschritt S4 besser beobachtet werden kann. Die Beobachtung kann optional mit einer optischen Kamera 300 erfolgen und umfasst sowohl die Beobachtung der Ausbreitung der Flüssigkeit 50 im Probekörper 60 als auch gegebenenfalls, insbesondere auch im Hinblick auf eine Qualitätskontrolle, in anderen Teilen der Kavität. In einem fünften Verfahrensschritt S5 werden für die Dokumentation und spätere Auswertung ein oder mehrere Bilder 320 erzeugt, auf denen die zeitliche Abfolge der Ausbreitung der Flüssigkeit 50 dargestellt wird. Das von der Kamera 300 erfasste Sichtfenster 301 muss dazu so eingestellt sein, dass es die Ausbreitung der Flüssigkeit 50 enthält. In einem sechsten Verfahrensschritt S6 werden die erzeugten Bilder 320 von der Verarbeitungseinheit 400 so ausgewertet, dass der zeitliche Verlauf der Ausbreitung der Flüssigkeit 50 über der Zeit erfasst wird. Die Position der Flüssigkeit 50 kann beispielsweise über Farbwert- oder Helligkeitswertvergleiche festgestellt werden. Mit Hilfe der Markierung 70 ist eine Abbildung von Bildpunkten auf physikalische Ortskoordinaten möglich. Mit dem zeitlichen Verlauf der Ausbreitung der Flüssigkeit 50 können die Permeabilitäten mit aus der Literatur bekannten Verfahren berechnet werden.
Die Schritte S1 bis S6 des offenbarten Verfahrens werden auch am nachfolgenden Beispiel deutlich, das ein konkretes, an die Literatur angelehntes Berechnungsverfahren zeigt. Das nachfolgende Beispiel bezieht sich dabei vorzugsweise auf die in 2 dargestellte Anordnung, mit der vorteilhaft eine Bestimmung zweier Hauptpermeabilitäten durchgeführt werden kann.
Im Rahmen der Schritte S1 und S2 wird zunächst der Probekörper 60 in den ersten Abschnitt 5 der Kavität eingelegt und die Porosität mit Hilfe einer beweglichen Begrenzungswand, beispielsweise der seitlichen Begrenzungswand 4 eingestellt. Im Schritt S3 wird die Flüssigkeit 50 durch die erste Öffnung 100, die mit dem Probekörper 60 in Kontakt steht, in den Probekörper 60 injiziert. Für diese Anordnung kann beispielsweise auch davon ausgegangen werden, dass die Ausbreitung der Flüssigkeit 50 orthogonal zur ersten Seite 101 des Öffnungsquerschnitts der ersten Öffnung 100 verläuft und sich in einer Richtung, die parallel zur ersten Seite 101 verläuft, innerhalb der Kavität gleich verhält. Die Ausbreitung der Flüssigkeit 50 erfolgt deshalb in eine erste Raumrichtung 121, die parallel zur zweiten Seite 102 der ersten Öffnung 100 orientiert ist, und in eine zweite Raumrichtung 122, die orthogonal zur ersten Seite 101 und zur zweiten Seite 102 der ersten Öffnung 100 orientiert ist. Die Ausbreitung der Flüssigkeit 50 kann deshalb durch eine Projektion auf die Mantelfläche 6 vollständig erfasst werden und durch die zugehörige Begrenzungswand 1, beispielsweise mit der Kamera 300 in Verfahrensschritt S4, beobachtet und in einem weiteren Verfahrensschritt S5 mit der Kamera 300 in Bildern 320 abgebildet werden. Für das Berechnungsverfahren im Verfahrensschritt S6 wird davon ausgegangen, dass die Ausbreitung der Flüssigkeit 50 in der Projektion auf die Mantelfläche 6 als Ausbreitung einer Ellipse mit konstantem Halbachsenverhältnis abgebildet wird, wobei die Randlinie der Ausbreitung und der Ausbreitungsprojektion, d.h. die Grenze zwischen trockenem und durchtränktem Bereich, als Fließfront bezeichnet wird. Mit diesen Annahmen können die Permeabilitäten des Probekörpers 60 in den zwei Raumrichtungen 121 und 122 wie folgt im Rahmen des Verfahrensschrittes S6 berechnet werden:

1. Detektion der Fließfrontpositionen in einer Folge von zu aufeinanderfolgenden Zeitpunkten aufgenommenen Bildern 320, die die Projektion der Ausbreitung der Flüssigkeit 50 auf die Mantelfläche 6 abbilden.
2. Zusammenstellung der zu jedem Zeitpunkt maximalen Ausbreitung der Flüssigkeit 50, d.h. der Fließfront, in die erste Raumrichtung 121 und die zweite Raumrichtung 122, wobei die Koordinate der Fließfront in die erste Raumrichtung 121 mit x bezeichnet wird und die Koordinate der Fließfront in die zweite Raumrichtung 122 mit y bezeichnet wird, wobei sich der Nullpunkt von x- und y-Koordinaten im Flächenschwerpunkt der ersten Öffnung 100 befindet, und die Zeit mit t bezeichnet wird. Damit ergibt sich für jedes ausgewertete Bild 320 ein Tripel (x, y, t).
3. Für alle x-Werte wird eine zugehörige Ellipsenkoordinate ξ berechnet: $ξ = c o s h^{- 1} (\frac{x}{x_{i n j}})$
Dabei ist x_inj die halbe Länge der zweiten Seite 102 der ersten Öffnung 100.
4. Für jede Ellipsenkoordinate ξ wird die Funktion F berechnet: $F = \frac{1}{4} ξ sinh (2 ξ) + \frac{1}{8} [1 - cosh (2 ξ)]$
5. Jeder Funktionswert von F wird nun über dem zugehörigen Messzeitpunkt t in einem kartesischen Koordinatensystem mit linearer Achsenskalierung aufgetragen, so dass sich eine Mehrzahl von Punkten ergibt. Mittels linearer Regression, d.h. mit der Methode des kleinsten Fehlerquadrats, wird eine erste Ausgleichsgerade berechnet, wobei die erste Ausgleichsgerade durch den Koordinatenursprung verläuft und wobei m₁ die Steigung dieser ersten Ausgleichsgerade bezeichnet.
6. Die Permeabilität K_x in x-Richtung 121 wird berechnet mit: $K_{x} = \frac{ϕ η x_{i n j}^{2} m_{1}}{(p_{i n j} - p_{o})}$
wobei p₀ den Umgebungsdruck bezeichnet, der im trockenen Bereich des Probekörpers an der Fließfront anliegt, und p_inj den Injektionsdruck bezeichnet, mit der die Flüssigkeit 50 dem ersten Abschnitt 5 der Kavität zugeführt wird. Darüber hinaus bezeichnet ϕ die Porosität des Probekörpers und η die dynamische Viskosität der Flüssigkeit 50.
7. Die Fließfrontkoordinaten y werden im Folgenden in einem kartesischen Koordinatensystem mit linearer Achsenskalierung über den zum gleichen Messzeitpunkt t gemessenen Fließfrontkoordinaten x aufgetragen, so dass sich eine Mehrzahl von Punkten ergibt. Mittels linearer Regression, d.h. mit der Methode des kleinsten Fehlerquadrats, wird eine zweite Ausgleichsgerade berechnet, wobei die zweite Ausgleichsgerade durch den Koordinatenursprung verläuft und wobei m₂ die Steigung dieser Ausgleichsgerade bezeichnet.
8. Die Permeabilität K_y in y-Richtung 122 wird berechnet mit: $K_{y} = K_{x} m_{2}^{2}$

Mit dem beschriebenen Verfahren und der offenbarten Vorrichtung wurden Glasfaser-Rovings, d.h. Bündel aus Glasfasern, geprüft. Jeder Roving des geprüften Typs besteht aus etwa 4000 einzelnen Fasern mit einem durchschnittlichen Faserdurchmesser von 17 µm. Mehrere dieser Glasfaser-Rovings wurden parallel neben- und übereinander liegend in die Kavität 5 eingebracht, so dass sie in x-Richtung 121 orientiert waren. Mit der beweglichen Begrenzungswand wurden Porositäten zwischen 0,24 und 0,5 eingestellt. Es wird angenommen, dass eine Flüssigkeit die Rovings in jeder Richtung senkrecht zur Faserrichtung gleichgut durchströmt. Daraus folgt, dass die Faserrichtung eine Hauptrichtung des Permeabilitätstensors sein muss. Sie wird ohne Beschränkung der Allgemeinheit als 1-Richtung bezeichnet und fällt mit der x-Richtung 121, in der die Rovings lagen, zusammen (K₁ = K_x). Aus der Annahme folgt auch, dass die beiden anderen Hauptpermeabilitäten identisch sind (K₂ = K₃). Zur leichten Auswertbarkeit der Versuche wurde ohne Beschränkung der Allgemeinheit festgelegt, dass die 2-Richtung mit der y-Richtung 122 zusammenfällt (K₂ = K_y). Für die Intervallgrenzen des geprüften Porositätsbereichs ergaben sich die in der folgenden Tabelle angegebenen Hauptpermeabilitäten. Da der Permeabilitätstensor für die Hauptrichtungen Diagonalform annimmt, kann für jede der beiden Porositäten mit diesen Werten der gesamte Permeabilitätstensor angegeben werden.

Porosität ϕ Hauptpermeabilität K₁ = K_x Hauptpermeabilität K₂ = K_y

0,24 1,4 · 10^-12 m² 5,2 · 10^-15 m²

0,50 1,3 · 10^-10 m² 1,2 · 10^-12 m²

Claims

Permeameter, mit - mindestens einer Kavität, die zumindest in einem ersten Abschnitt (5) eine quaderförmige Grundform aufweist, - mindestens einer beweglichen oder durch Aufdickungen veränderlichen Begrenzungswand (1, 2, 3, 4) des ersten Abschnitts (5) der Kavität, die ausgebildet ist, das Volumen des ersten Abschnitts (5) der Kavität einzustellen, - mindestens einer ersten Öffnung (100) in mindestens einer Mantelfläche (6, 7, 8, 9), die ausgebildet ist, eine Flüssigkeit (50) in den ersten Abschnitt (5) der Kavität zu leiten, - mindestens einer Begrenzungswand (1, 2, 3, 4), die ausgebildet ist, die Beobachtung der Flüssigkeit (50) im ersten Abschnitt (5) der Kavität zuzulassen, gekennzeichnet durch - mindestens eine offene Stirnseite (10, 10') des ersten Abschnitts (5) der Kavität.
Permeameter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mindestens einen Anschluss zur Aufnahme von Flüssigkeiten (200), der ausgebildet ist, eine Flüssigkeit (50) aufzunehmen und an mindestens eine erste Öffnung (100) weiterzuleiten.
Permeameter nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch mindestens einen Druckanschluss (210, 220) als Anschluss zur Aufnahme von Flüssigkeiten (200), der ausgebildet ist, unter Druck stehende Flüssigkeit (50) aufzunehmen.
Permeameter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen rechteckigen Öffnungsquerschnitt der ersten Öffnung (100).
Permeameter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass - mindestens eine Seite des rechteckigen Öffnungsquerschnitts der ersten Öffnung (100) parallel zu mindestens einer Seite der jeweiligen Mantelfläche (6, 7, 8, 9), in der sich die erste Öffnung (100) befindet, ausgerichtet ist, - mindestens eine Länge einer Seite des rechteckigen Öffnungsquerschnitts der ersten Öffnung (100), die entlang einer ersten Richtung ausgerichtet ist, mindestens 80 Prozent der Länge einer Seite der jeweiligen Mantelfläche (6, 7, 8, 9), in der sich die erste Öffnung (100) befindet und die entlang der ersten Richtung ausgerichtet ist, aufweist.
Permeameter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass maximal drei der Begrenzungswände (1, 2, 3, 4) feststehend miteinander verbunden sind.
Permeameter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine bildgebende Einheit (300), die ausgebildet ist, die Ausbreitung von Flüssigkeit (50) im ersten Abschnitt (5) der Kavität in einem oder mehreren Bildern (320) abzubilden.
Permeameter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bemaßung (70) für den ersten Abschnitt (5) der Kavität auf oder neben mindestens einer Begrenzungswand (1, 2, 3, 4) angebracht ist, die ausgebildet ist, in den Bildern (320) sichtbar zu sein.
Permeameter nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch eine Verarbeitungseinheit (400), die ausgebildet ist, die Ausbreitung der Flüssigkeit (50) in den Bildern (320) der bildgebenden Einheit (300) zu erkennen.
Permeameter nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Verarbeitungseinheit (400), die ausgebildet ist, aus dem zeitlichen Verlauf der Ausbreitung der Flüssigkeit (50) eine oder mehrere Permeabilitäten eines Probekörpers (60) zu berechnen.
Permeameter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Begrenzungswand (1, 2, 3, 4) zumindest teilweise optisch transparent ist.
Permeameter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Begrenzungswand (1, 2, 3, 4) zumindest teilweise transparent für elektromagnetische Wellen im nichtsichtbaren Bereich ist.
Permeameter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Begrenzungswand (1, 2, 3, 4) zumindest teilweise transparent für Schallwellen ist.
Verfahren zur Permeabilitätsprüfung mittels eines Permeameters nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, - ein Probekörper (60) in den ersten Abschnitt (5) der Kavität eingebracht wird (S1), - mindestens eine der Begrenzungswände (1, 2, 3, 4) so bewegt oder so aufgedickt wird, dass der erste Abschnitt (5) der Kavität ein vorbestimmtes Volumen einnimmt und auf diese Weise die Porosität des Probekörpers (60) konfiguriert wird (S2), - Flüssigkeit (50) über den Anschluss (200, 210, 220) zur Aufnahme von Flüssigkeiten (50) zugeführt wird (S3), - die Ausbreitung der Flüssigkeit (50) im ersten Abschnitt (5) der Kavität beobachtet wird (S4).
Verfahren zur Permeabilitätsprüfung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbreitung der Flüssigkeit (50) im ersten Abschnitt (5) der Kavität mit einer bildgebenden Einheit (300) in einem oder mehreren Bildern (320) abgebildet wird (S5).
Verfahren zur Permeabilitätsprüfung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbreitung der Flüssigkeit (50) in einem, mehreren oder jedem von der bildgebenden Einheit (300) erzeugten Bildern (320) detektiert wird und daraus eine oder mehrere Kennzahlen berechnet werden, die eine oder mehrere Permeabilitäten des Probekörpers (60) beschreiben (S6).
Verfahren zur Permeabilitätsprüfung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Probekörper (60) während der Permabilitätsprüfung bewegt wird.