Élő fákon végzett EIT mérések

Kísérleti méréseinket Darány község határban elterülő tölgyes (Somogy megye) határában végeztük a PICUS Treetronic ERT eszközzel. A vizsgálat tárgyát két fafaj képezte:

1. középkorú csertölgy (quercus cerris), illetve

2. az annak szélében elhelyezkedő öreg kocsányos tölgy (quercus robur) állomány.

A területre tipikusan a belső somogyi homokvidék talajtípusa, a savanyú homok a jellemző. Az itt elhelyezkedő csertölgyesből szemrevételezéssel választottunk ki három egészségesnek vélt példányt,

melyekre mellmagasságban helyeztünk el 6 elektródát és végrehajtottuk az EIT mérést. A mérési eredményeket a 4.1. ábra szemlélteti:

4.1. ábra: Középkorú csertölgyeken végzett EIT mérés eredményei (Ωm)

A 4.1. ábra három vizsgált egyed megfelelő mérés eredményét mutat be. A mérés célja ebben a mérés sorban a műszer működésének a megismerése, és az eredmény tomogrammoknak a megismerése viszonylag kis számú elektróda alkalmazásával. Mindhárom mérés esetében 6 db elektródát használtunk a tomogramm elkészítéséhez, ami törzsenként összesen 36 db mért értéket jelent. Ezekből álltak elő a 4.1.

ábrán látható diagramok. A fakéreg magas ellenállása miatt szigetelőnek tekinthető, és azon keresztül lehetetlen áthajtani az áramot, ezért az elektródaként használt szögeket át kell ütni a fakérgen (kambiumon), ezért a fakéreg hatása nem látható a mérési tomogram eredményekben. Így a 4.1. ábrán látható tomográfiás képek gyakorlatilag a szíjács és a geszt ellenállás-eloszlását közelítik.

Elsőként egy 73 cm átmérőjű csertölgyet választottunk ki. A 4.1.a ábrán viszonylag jól elkülöníthető, hogy a geszt (a kör középpontja körüli síkrész) ellenállása nagyobb a körülötte lévő szíjács nagy részéhez képest, valamint az is észrevehető, hogy a középpontban maximális az ellenállás értéke, aminek az értéke fokozatosan csökken. A szíjács ellenállás-eloszlása az ellenálláskép alapján két részre osztható. A szíjács egy részről két egymással átellenesen elhelyezkedő magasabb ellenállású részből áll (az 1 és 2, illetve 4 és 5. számú elektródák között), melyek a tomogramm maximális értékeit tartalmazzák, másrészről pedig két szintén egymással szemben elhelyezkedő kék sávból áll, ami viszont a képen a minimális fajlagos ellenállású részre vonatkozik. A 4.1.a ábra színskálája lineáris, minimuma 166 Ωm, maximuma 261 Ωm, tehát kb. 100 Ωm-es fajlagos ellenállás tartományt fog át.

A 4.1.b. ábra – melyet egy 54 cm kerületű csertölgy esetében kaptunk – teljesen más eloszlást mutat. Az 4.1.a ábrán látható, szíjácsra jellemző ellenállás-eloszlást itt nem vehetjük észre. Két markánsan elkülönülő zónát mutat a tomogram. Az 1-es és 2-es elektróda között láthatóak a minimális, míg az 5-ös elektróda környezetében a maximális ellenállás értékek. A színskálát megfigyelve észrevehető, hogy az előzőhöz képest az ellenállás tartomány nagymértékben csökkent, hiszen a színek 200 – 234 Ωm között oszlanak meg. Tehát, ha a 4.1.a ábra ellenállás határait állítanánk be itt is, akkor a kép kontrasztja oly mértékben csökkenne, hogy a jelenleg látható eltérések kevésbé emelkednének ki.

Végül egy 60 cm sugarú csertölgyet vizsgáltunk. A 4.1.c ábrán (összehasonlítva a 4.1.a ábrával) megfigyelhető a szíjács tagoltsága. Ebben az esetben a magas ellenállású részek az 1-es és 6-os, illetve 4-es és 3-as, míg az alacsony ellenállású részek a 2-4-es környezetében, illetve az 5-ös és 6-os elektródák között láthatóak. Ezen az ábrán a geszt ellenállása nem különül el olyan mértékben, mint a 4.1.a ábra esetében, azonban megfigyelhető, hogy a középpont környezete magasabb ellenállású. A színskála ebben az esetben is lineáris, minimuma 178 Ωm, maximuma pedig 232 Ωm.

A kis elektródaszámú mérések után úgy döntöttünk, hogy növeljük az elektródaszámot, azaz a mérés csatornaszámát annak érdekében, hogy a mérés lefolyását tanulmányozhassuk. Ennek érdekében kiválasztottunk három kocsányos tölgyet, melyeken szintén mellmagasságban elhelyezett elektródákkal

végeztünk EIT mérést. Ennek megfelelően a három kocsányos tölgyön mért EIT metszeteket a 4.2. ábra szemlélteti:

4.2. ábra: Idős kocsányos tölgyeken végzett EIT mérés tomogramjai (Ωm)

A 16 csatornás mérés esetében 416, míg a 24 elektródás mérések esetében 1008 számértékből lettek visszaállítva a tomogrammok. A 4.2. ábrán megfigyelhető, hogy a középkorú csertölgyekhez képest egy teljesen más mintázatot állít vissza a mérőeszköz. A mintázatra általánosan jellemző, hogy határozottan kiemelkedik a közepéhez képest magasabb ellenállású gyűrű. Mindhárom ábra esetén megfigyelhető továbbá, hogy a középpont körüli kör alakú tartomány képezi a tomogramm minimumát, így szemmel láthatóan teljesen elkülönül a körülötte látható magasabb ellenállású gyűrűtől. Figyelmesebben vizsgálva az is megfigyelhető, hogy a 4.1. ábrán megfigyelt alacsony-magas osztott perem itt is jelen van, ugyanúgy 90°-os váltakozással.

Amennyiben külön-külön kívánjuk vizsgálni az ellenállás képeket, megállapíthatjuk, hogy a 4.2.a ábrán és 4.2.b ábra lényegében igen hasonló. Az ellenállás skála lineáris, minimuma 200 Ωm, míg maximuma 730 Ωm körüli. A fák geometriai méretei nagyjából azonosak (a 4.2.a esetében a törzs kerülete 160 cm, míg a 4.2.b esetében 174 cm), ami alátámasztja a hasonlóságot.

A 4.2.c ábra esetében a kerület (300 cm) majd kétszerese az előzőekének. Így maga a fa is korban idősebb.

Ha megfigyeljük a rajta elvégzett EIT mérés eredményét, szemmel láthatóan nincs változás, azonban ha a színskála határait figyeljük meg (92 – 459 Ωm), észrevehetjük, hogy abszolút értékben a metszet ellenállása csökkent. Ezen kívül azt is észrevehetjük, hogy a középen látható alacsony ellenállású rész és a magasabb ellenállású gyűrű maximuma közti különbség csökkent a többi két ábrához képest. A két fafajon végzett mérések eredményei jellegükben eltérnek egymástól, azonban a szíjács tagoltsága közös vonás az összes bemutatott mintázat esetében.

5. Összefoglalás

Cikkünkben a roncsolásmentes élő-fa vizsgálatoknak egy viszonylag új és jelenleg még kevéssé kiforrott technikáját mutattuk be, kezdve annak fizikai alapjaival. Mivel egy rutinszerűen alkalmazott geofizikai eljárás adaptációjáról van szó, ezért nélkülözhetetlennek találtuk az EIT kiindulási módszerének a felszíni geoelektromos vizsgálatok általános bemutatását. Természetesen az ott leírtak analógiája felfedezhető a mérőeszköz és a mérési módszer ismertetésénél is. Ezután saját mérési eredményeket mutattunk be, melyek a mérőeszköz pontosabb megismerését szolgálták.

Mivel kutatási témánk célja EIT mérés fejlesztése szimulációs és valós mérési eljáráshoz, új, sokcsatornás, nagy felbontású mérőeszköz bevezetése az EIT-s faanyagvizsgálati módszertanba, illetve a tomográfiás mérési módszer, kiértékelés fejlesztése faanyagvizsgálatokra, ezért fontosnak tartottuk egy, a piacion kapható EIT mérőeszköz megismerését, melyet referenciának tekinthetünk a későbbi kutatási feladatok során. Így jutottunk el az Argus Electronic Gmbh. PICUS Treetronic elnevezésű EIT mérőeszközéhez.

A mérőeszköz működése a geofizikai alapok segítségével megérthető. Még az elektródák elhelyezése is megegyezik a geofizikai gyakorlatban megszokottakkal, azonban favizsgálatok esetében nagymennyiségű mérés végrehajtásakor ez igen lassúvá teheti a vizsgálatok lefolytatását. A mérési módszer gyakorlatilag a geofizikában elterjedt geoelektromos tomográfiával egyezik meg. Sajnálatosan kizárólag a dipól-axiális mérési elrendezéssel végezhető el EIT mérés a mérőeszközzel. A rugalmatlanság hátránya továbbá az is, hogy így sok esetben az alkalmazott módszer nem illeszkedik megfelelően a mérés céljához. Nagy előnye azonban, hogy a mérési algoritmus egyszerűbben programozható és ez által könnyebben kivitelezhető. A mérés során gyűjtött adatokat kizárólag a PICUS mérőszoftverben lehet kiértékelni, az adatokról átmeneti fájl nem készül, azok nem kinyerhetőek.

A képalkotási algoritmus végeselem módszerrel (FEM) működik. Ez látható az 4.1. és 4.2. ábrán is, melyekből egyértelműen észrevehető, hogy a mérési tartomány háromszögekre van felbontva, melyeket egy színnel tölt ki a szoftver, tehát az adott háromszögön belül homogénnek feltételezi a fajlagos ellenállást.

A számítás eredménye a fajlagos ellenállás síkbeli eloszlása az adott tartományon belül. A tomogrammok színezettek, és a színskálát lineáris skálán jelzi ki a szoftver. A kiértékelés, azaz a képalkotás off-line módon történik, ami azt jelenti, hogy a gyűjtött adatok képezik gyakorlatilag az elmentett információt, így minden megnyitás után újra el kell végezni a számítást, amit így természetesen különféle paraméterekkel tehetünk meg, ez azonban lassítja az helyszíni kiértékelést.

Ezek a megállapítások igen fontosak az általunk fejlesztett műszer és módszer tekintetében, ugyanis a jövőbeli terveink szerint a felsorolt hiányosságokon tudunk majd javítani. A mérés végrehajtása több csatornán, párhuzamosan történik majd. Ez annyiban jelent előnyt, hogy a technikailag a 252 db mérés 252 db kapcsolást jelent a mérőeszköz számára, míg több, például 8 csatornán mérve, egy gerjesztési pozíció egy mérés során lefedhető, tehát a mérés gyorsítható és a mérés szempontjából kényes pontok, azaz a kapcsolások száma csökkenthető. A kiértékelő és képalkotó algoritmust tekintve meg kívánunk maradni a végeselem módszer használatánál, mert ez egy modern és viszonylag gyors ütemben fejlődő numerikus módszer, azonban a további matematikai módszerek tekintetében újszerűbbek alkalmazására törekszünk.

Egy nagyobb pontosságú, érzékenységű és felbontóképességű mérőeszköz használatával lehetőség nyílik a bemutatottaknál nagyobb felbontású képek rekonstruálására, ami a kisebb mértékű, vagy méretű anomáliák feltárására tehető alkalmassá.

6. Köszönetnyilvánítás

A tanulmány/kutató munka a „Fenntartható Nyersanyag-gazdálkodási Tematikus Hálózat – RING 2017”

című, EFOP-3.6.2-16-2017-00010 jelű projekt részeként a Szechenyi2020 program keretében az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg.

7. Hivatkozások

A. Erkel, A. Meskó, L. Stegena (1970) Geofizikai Kutatási Módszerek III., Felszíni Geofizika, Tankönykiadó Vállalat, Bp.

D. Bieker, S. Rust (2010) “Electric resistivity tomography shows radial variation of electrolytes in Quercus robur”, Canadian Journal of Forest Research, 40(6): 1189-1193.

D. Bieker, S. Rust (2010) “Non-Destructive Estimation of Sapwood and Heartwood Width in Scots Pine (Pinus sylvestris L.)”, Silva Fennica 44(2): 267–273.

D. Bieker, R. Kehr, G. Weber, S. Rust S. (2010) “Non-destructive monitoring of early stages of white rot by Trametes versicolor in Fraxinus excelsior”, Annals of Forest Science, Volume 67, Issue 2, pp 210–210.

D. S. Holder (2005) ELECTRICAL IMPEDANCE TOMOGRAPHY, Methods, History and Applications, Institute of Physics Publishing, IOP Publishing Ltd.

F. Divós (1991) “The International Symposium on Non-destructive Testing of Wood“, Faipar, 11-12.

F. Divós, K. Csupor, F. Bröker (1991) “Ultrasonic and Stress Wave based Non-destructive Testing of Wood“, Proc. 8th International Symp. on Nondestructive Testing of Wood, Vancouver, WA, 272.

F. Divós, K. Mészáros (1994) “Root Decay Detection by Stress Wave Technique“, Proc. pf the First European Symposium on Nondestructive Evaluation of Wood, p524. Sopron, Hungary.

F. Divós, M. Sugiama (1993) “Longitudinal Stress Waves for Detecting the Presence, Location and Size of Defects in Wood and Wood based Composites“ 9th International Symposium on Non-destructive Testing of Wood, Madison, WI., 218-219.

G. Nicolotti; L.V.Socco; R.Martinis; A. Godio; L. Sambuelli (2003) “Application and comparison ofthree tomographic techniques for detection of decay in trees” Journal Of Arboriculture,vol. 29 n. 2, pp. 66-78.

I. Standeisky (2007) Elektrodinamika; Egyetemi Jegyzet, Széchenyi István Egyetem, Universitas-Győr Kht., Győr

K Borbas, T. Kiss, M. Klincsik, Z. Kvasznicza, K. Mathe, Cs. Ver, Z. Vizvari, P. Odry (2015)Process and measuring system for data acquisition and processing in soft-tomography studies (in Hungarian) Patent P1500616.

K Borbas, T. Kiss, M. Klincsik, Z. Kvasznicza, K. Mathe, Cs. Ver, Z. Vizvari, P. Odry: Process and Measuring System for Data Acquisition and Processing in Soft-Tomography Studies, US20180374244A1, https://patents.google.com/patent/US20180374244A1/en

L. Gergely, F. Divos (2000) “Possibility of glue-defect detection in solid wood panels with ultrasound“, Proccedings of the 12th International Symposium on Nondestructive Testing, Sopron, pp 453.

M. G. Rasteiro, R. Silva, F. A. P. Garcia and P. Faia (2011) “Electrical Tomography: a review of Configurations and Applications to Particulate Processes“, Volume 29 Pages 67-80.

Description of Tree Inspection Equipment, Argus Electronic Gmbh.

N. J.Brazee, R. E. Marra, L. Göcke, P. V. Wassenaer (2011) “Non - destructive assessment of internal decay in three hardwood species of northeastern North America using sonic and electrical impedance tomography“, Forestry, Vol. 84, No. 1.

N. Lesparre, A. Adler, D. Gibert, F. Nicollin (2011) “Electrical Impedance Tomography in geophysics“, Application of EIDORS.

R. Duraiswami, K. Sarkar, G. L. Chahine (1998) “Efficient 2D and 3D electrical impedance tomography using dual reciprocity boundary element techniques“, Engineering Analysis with Boundary Elements 22 (PII: S0955-7997(98)00028-9) 13–31.

Z. Vizvari, T. Kiss, K. Matha, P. Odry, Cs. Ver, F. Divos (2019) “Multi-Frequency Electrical Impedance Measurement on a Wooden Disc Sample”, Acta Silvanica et lignaria Hungarica: Forest, wood and environmental sciences 11:(2) pp. 153-161.

Z. Vizvari, T. Kiss, Cs. Ver, M. Klincsik, Z. Sari, K. Mathe, B. Kuljic, F. Henezi, P. Odry: “A multi-channel electrical impedance meter based on digital lock-in technology“; Pollack Periodica; (accepted) 2019.

III. RING – Sustainable Raw Material Management Thematic Network – RING 2017 Scientific Conference

10-11 October - Sopron

NON-DESTRUCTIVE EVALUATION ON MODULUS OF ELASTICITY OF LOW DENSITY