DE102007049285B4

DE102007049285B4 - Light-optical humidity sensor for determining the moisture content of masonry

Info

Publication number: DE102007049285B4
Application number: DE102007049285.7A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Oybek Bakhramov; Christian Kaps
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2007-10-12
Filing date: 2007-10-12
Publication date: 2017-06-22
Anticipated expiration: 2027-10-13
Also published as: DE102007049285A1

Abstract

Lichtoptischer Feuchte-Sensor, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lichtquelle und -empfänger in einer kompakten, robusten Sensoreinheit mit wasserdurchlässiger Hülle im Baukörper bei der Errichtung verbaut oder in das Volumen eines bestehenden Bauteils eingebracht wird und der langzeitlichen, wartungsfreien Feuchtemessung am positionierten Ort ohne nachteiligen Einfluss von gelösten Salzen und Temperatur Schwankungen dient.Light-optical humidity sensor, characterized in that a light source and receiver is installed in a compact, robust sensor unit with water-permeable shell in the building during construction or introduced into the volume of an existing component and the long-term, maintenance-free moisture measurement at the location positioned without adverse effect of dissolved salts and temperature fluctuations.

Description

Die Erfindung betrifft einen kompakten, von ein oder/und mehreren Lichtquelle und Lichtempfänger integrierten optischen Sensor für die Feuchtebestimmung im Mauerwerk bzw. in porösen Baumaterialen.The invention relates to a compact, integrated by one and / or more light source and light receiver optical sensor for moisture determination in masonry or in porous building materials.

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung ist im Besonderen im Hinblick auf die messtechnischen Erfordernisse im Bauwesen und der Bautechnik mit langzeitlich geplanten Sanierungsmaßnahmen und verschiedenartigen Revitalisierungsverfahren (Bestimmung des optimalen Sanierungszeitpunktes bzw. der Nachhaltigkeit/Wirksamkeit der technischen Maßnahmen) zu sehen. Auf diesem bautechnischen Gebiet ist es notwendig in größeren Zeitabständen an definierten Orten im Volumen von Bauteilen realitätsnah die Feuchte ohne merkliche Verfälschungen durch Störeinflüsse (gelöste Salze, Temperatur, Oberflächentrocknung) und korrosive Sensor-Degradation zu messen. Der optische Feuchte-Sensor ist eine kompakte, robuste und von Lichtquelle und -empfänger integrierte Messeinheit. Er ermöglicht das Monitoring der Feuchtegehalte bzw. -verteilung im Bauteilvolumen für die Bauwerksüberwachung unabhängig von dem Mauerwerkssalzgehalt bzw. -temperatur. Im Mittelpunkt der Erfindung steht die bisher unbekannte Kombination von vorteilhafter langzeitlicher Feuchtemessung in den örtlichen Original- bzw. Vergleichsbaumaterialien im zeitaktuellen Zustand des Bauteils mit einem IR-optischen Transmissionsprinzip der Sensoren.The invention is to be seen in particular with regard to the metrological requirements in construction and civil engineering with long-term planned remedial measures and various revitalization procedures (determination of the optimal rehabilitation time or the sustainability / effectiveness of the technical measures). In this structural field, it is necessary at relatively long intervals at defined locations in the volume of components to realistically measure the moisture without appreciable distortions due to interference (dissolved salts, temperature, surface drying) and corrosive sensor degradation. The optical humidity sensor is a compact, robust measuring unit integrated into the light source and receiver. It enables the monitoring of the moisture contents or distribution in the component volume for the construction monitoring independent of the masonry salt content or temperature. The focus of the invention is the hitherto unknown combination of advantageous long-term moisture measurement in the local original or reference construction materials in the current state of the component with an IR-optical transmission principle of the sensors.

Stand der TechnikState of the art

Für eine realitätsnahe unverfälschte Messung des Feuchtegehaltes im Volumen von porösen Bauwerkstoffen sind bekanntermaßen elektrische Verfahren (Leitfähigkeits- bzw. Potenzial- bzw. niederfrequente Dielektrizitätsmessungen) wegen des merklichen Störeinfluss von mobilen Salzionen und dem sekundären Temperatureinfluss prinzipiell nicht geeignet. Lichtdurchlässigkeit als Eigenschaft des Wassers ist seit langem bekannt und wird seitdem in der Wirtschaft und Wissenschaft erfolgreich genutzt. Es gibt diverse Anwendungsgebiete, wo auf Grund dieser Eigenschaften des Wassers für Geräte und Messverfahren durch Patente geschützt sind.As is well known, electrical methods (conductivity or potential or low-frequency dielectricity measurements) are not suitable for a realistic, unadulterated measurement of the moisture content in the volume of porous building materials because of the noticeable disturbing influence of mobile salt ions and the secondary temperature influence. Light transmission as a property of water has long been known and has since been used successfully in business and science. There are several areas of application where, due to these properties of water for devices and measuring methods are protected by patents.

In der Offenlegungsschrift DE 19942317 wird ein optisches Verfahren zur Feuchtebestimmung beschrieben, welches einen chemisch sensiblen, organischen Fluoreszenzfarbstoff erfordert, der unter aggressiven bauchemischen Bedingungen (hohe Alkalizität) keine Langzeitstabilität erwarten lässt. Nachteilig für eine realitätsnahe Messung wird die sich in einem Fremdmaterial (organische Polymermatrix) einstellende Feuchte bestimmt. Extern ist ein Mikrospektrometer erforderlich.In the published patent application DE 19942317 describes an optical method for determining moisture, which requires a chemically sensitive, organic fluorescent dye, which does not allow long-term stability under aggressive building chemical conditions (high alkalinity). A disadvantage for a realistic measurement is the moisture which sets in a foreign material (organic polymer matrix). Externally, a microspectrometer is required.

Die Patentschrift DE 19520035 beschreibt ein optisches Verfahren zur berührungslosen Messung von Feuchtegehalten, welches aber lediglich zur Bestimmung von lokalen Oberflächenfeuchten an Bauwerksteilen (Mauerwerk) eingesetzt werden kann. Ebenso sind in den Schriften DD 291048 , US 005220168 (bzw. 5220168 ), DE 4040101 , DE 3204146 , DE 19752572 und DE 19538145 optische Messprinzipien (z. T. im IR-Bereich) zur Bestimmung von Oberflächenfeuchten an verschiedenen Materialien (Frischbeton im Mischer, Schüttgüter auf Transportbändern, thermo-optisches Verfahren für oberflächennahe verdunstungsfähiger Bereich poröser Körper, Baustoffoberflächen, Betonoberflächen bzw. Reflexionsmessungen an inneren Oberflächen von Schüttgütern wie Böden, Kompostmaterialien oder Sanden) beschrieben, die nicht den Anforderungen des Einsatzes im Monitoring der Porenwerküberwachung genügen.The patent DE 19520035 describes an optical method for non-contact measurement of moisture contents, which can only be used to determine local surface moisture in building parts (masonry). Likewise, in the scriptures DD 291048 . US 005220168 (respectively. 5220168 ) DE 4040101 . DE 3204146 . DE 19752572 and DE 19538145 Optical measuring principles (partly in the IR range) for the determination of surface moisture on various materials (fresh concrete in mixers, bulk materials on conveyor belts, thermo-optical process for near-surface evaporative range of porous bodies, building material surfaces, concrete surfaces or reflection measurements on inner surfaces of bulk solids such as soils, compost materials or sands), which do not meet the requirements of use in the monitoring of the pore plant monitoring.

In den Offenlegungsschriften US 2004/0264901 und US 2007/0116402 werden faseroptische Verfahren zur Messung der Feuchte von Orten im Bauteilvolumen auf der Basis von einer Faserbeschichtung mit einem porösen Bragg-Sensors (spektrale Verschiebung des reflektierenden Signals) beschrieben, die jedoch in jedem Falle zwangsläufig des Nach-außen-Führen des empfindlichen optischen Fasersystems erfordern und die weiterhin durch einem hohen Störeinfluss durch extreme Spannungen oder/und durch gefügebedingtes Spannungs-Dehnungsverhalten behaftet sind. Darüber hinaus ist das erste Verfahren nachteilig durch Verwendung eines metastabilen Sol-Gel-Silicas als Beschichtungsmaterial gekennzeichnet, welches in feuchten Bauwerkstoffen langzeitlich mit den stets präsenten Ca²⁺-Ionen reagiert und degeneriert. Im zweiten Verfahren wird wohl der poröse Bragg-Sensor durch zwei Hüllen geschützt, jedoch auf Grund der Konstruktion und der angewandeten Materialien ist der Feuchtetransport nur über Gasphase möglich, wodurch insgesamt eine hohe Störanfälligkeit beim Einbau und beim Auftreten mechanischer Spannungszustände am Messort bedingt und die direkte Messung der kapillar gesaugten Porenfeuchte ausgeschlossen ist.In the publications US 2004/0264901 and US 2007/0116402 For example, fiber optic methods for measuring the humidity of locations in device volume based on fiber coating with a porous Bragg (spectral shift of the reflective signal) sensor are described, but in any case necessarily require the outward routing of the sensitive optical fiber system which are further affected by a high level of interference caused by extreme voltages or / and by Gefügeded stress-strain behavior. In addition, the first method is disadvantageously characterized by using a metastable sol-gel silica as a coating material which reacts in wet building materials long term with the always present Ca ²⁺ ions and degenerate. In the second method, the porous Bragg sensor is probably protected by two sheaths, but due to the construction and the materials used, the moisture transport is only possible via gas phase, resulting in a high susceptibility to interference during installation and the occurrence of mechanical stress conditions at the site and the direct Measurement of capillary sucked pore moisture is excluded.

Aufgabe task

Aufgabe der Erfindung ist es, einen lichtoptischen Feuchte-Sensor zu entwickeln, der gegenüber dem Salzgehalt und der Temperatur des Bauteils unempfindlich ist. Er sollte kompakt, robust und in integrierter Form von Lichtquelle und Lichtempfänger ausgeführt sein, um den Feuchtegehalt im Mauerwerk bzw. den porösen Baumaterialen ohne die bekannten Störungen bzw. Messwertverfälschungen unter bauchemisch aggresiven Bedingungen bestimmen zu können. Das Monitoring der Feuchtegehalte bzw. -verteilung im Bauteilvolumen sollte sich für die Bauwerksüberwachung wartungsfrei bzw. minimalinvasiv durchführen lassen.The object of the invention is to develop a light-optical humidity sensor which is insensitive to the salt content and the temperature of the component. It should be compact, robust and designed in an integrated form of light source and light receiver in order to determine the moisture content in the masonry or the porous building materials without the known disturbances or Messwertverfälschungen under agrochemical aggressive conditions. The monitoring of the moisture content or distribution in the component volume should be maintenance-free or minimally invasive for the construction supervision.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Die Lösung der Aufgabe ist durch die unerwartete Erkenntnis möglich geworden, dass poröse, in der Baupraxis eingesetzte Werkstoffe eine quantitativ durch den Porenfeuchtegehalt bestimmte Lichtdurchlässigkeit aufweisen, wobei die Materialdicken bis zu 9 mm betragen können.The solution of the problem has become possible due to the unexpected finding that porous materials used in construction practice have a light permeability that is quantitatively determined by the pore moisture content, wherein the material thicknesses can be up to 9 mm.

Der Vorteil des neuen lichtoptischen Feuchte-Sensors besteht in der Integration von Lichtquelle und -empfänger im kompakten und robusten Gehäuse; in der Unabhängigkeit der Messung von dem Salzgehalt der Porenlösung und der Temperatur. Wie bekannt ist, sind elektrische Leifähigkeitsmessungen bei höheren Salzgehalten nicht in der Lage, quantitative feuchtediagnostische Resultate zu liefern, da die Salzkonzentration den Widerstand der Lösung maßgeblich beeinflusst. Die optische Messmethode benötigt keine korrosionsanfälligen Metallelektroden und schließt eine das Messergebnis verfälschende Wassersetzung (Elektrolyse) aus.The advantage of the new light-optical humidity sensor is the integration of light source and receiver in a compact and robust housing; in the independence of the measurement of the salinity of the pore solution and the temperature. As is known, electrical conductivity measurements at higher salt levels are incapable of providing quantitative wet diagnostic results since salt concentration significantly affects the resistance of the solution. The optical measuring method does not require corrosion-prone metal electrodes and excludes a watering effect that falsifies the measuring result (electrolysis).

Die Lichtleitung bzw. -streuung in einem porösen Bauwerkstoff mit hoher Feuchtebelastung ist schematisch in Bild 1 dargestellt. Der Einfluss des Durchfeuchtungsgrades (DFG) auf die Lichtleitverhältnisse im Porensystem erscheint erfindungsgemäß nutzbar. In dieser stark vereinfachten, strahlenoptischen Betrachtung erfolgt die Lichtstreuung vorzugsweise durch Beugungserscheinungen an Gefügebestandteilen (Spalten, Kreisöffnungen bzw. Porenengstellen, engen Kapillarporen oder Oberflächenrauigkeiten) bzw. durch Totalreflexion an den Grenzflächen Wasser/Luft.The light conduction or scattering in a porous construction material with high moisture load is shown schematically in Figure 1. The influence of the degree of moisture penetration (DFG) on the light conduction in the pore system appears usable according to the invention. In this greatly simplified, optical-optical observation, the light scattering is preferably carried out by diffraction phenomena on structural constituents (gaps, circular openings or pore spaces, narrow capillary pores or surface roughnesses) or by total reflection at the interfaces water / air.

Der neue optische Feuchte-Sensor besteht aus folgenden Teilen (Bild 2.):The new optical humidity sensor consists of the following parts (Figure 2):

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Poröser Bauwerkstoff (PBW)Porous material (PBW)
22: Lichtquelle (LED)Light source (LED)
33: Fotodiode (FD)Photodiode (FD)
44: Filter- und Kontaktschicht (porös) (KS)Filter and contact layer (porous) (KS)
55: Elektrische Anschluss (EA)Electrical connection (EA)
66: Segment Isolation (SI)Segment Isolation (SI)

Das Licht der IR LED wird durch die Porenfeuchtigkeit transmittiert und die Lichtintensität mit Hilfe der Fotodiode registriert. Je mehr Feuchtigkeit vorhanden ist, desto größer ist die Potenzialdifferenz an der Fotodiode. Im Labor werden die Werte jedes Sensors im unterschiedlich wasserbefeuchtetem Zustand kalibriert. Das Diagramm 1 zeigt beispielhaft die Kalibrierungskurven verschiedener Bauwerkstoffe (PBW) mit unterschiedlichen Materialdicken. Im Bild 2 ist ein einfacher Ein-Segment-Sensor und ein Sensor mit mehreren FD dargestellt, wodurch die Messpräzision erhöht werden kann. Im Bild 3 ist ein Anwendungsbeispiel für die Feuchteuntersuchungen in der Tiefe des Mauerwerks skizziert. Im Bild 4 (Bohrloch-Technik) und Bild 5 (Mehrere lichtoptische Feuchte-Sensoren in verschiedenen Höhen des Mauerwerkes) sind Anwendungsbeispiele für den optischen Feuchtesensor im Kontakt mit der Materialumgebung des Bauteils dargestellt.

Diagramm 1: FD-Spannung in Abhängigkeit vom Durchfeutungsgrad (DFG); KSN-Kalksandstein, Z-Ziegel, NSN-(Natur-)Sandstein; d-Bauwerkstoffdicke The light of the IR LED is transmitted through the moisture of the pores and the light intensity is registered with the help of the photodiode. The more moisture is present, the greater the potential difference at the photodiode. In the laboratory, the values of each sensor are calibrated in different humidified state. Diagram 1 shows an example of the calibration curves of different building materials (PBW) with different material thicknesses. Figure 2 shows a simple one-segment sensor and a multi-FD sensor, which can increase measurement accuracy. Figure 3 outlines an application example for the moisture investigations in the depth of the masonry. In Figure 4 (borehole technology) and Figure 5 (Several light-optical humidity sensors at different heights of the masonry), application examples for the optical moisture sensor in contact with the material environment of the component are shown.

Diagram 1: FD voltage as a function of the degree of efficiency (DFG); KSN lime sandstone, Z brick, NSN (natural) sandstone; d-building material thickness

Auf Grund dieser Vorteile lässt die neue Messmethode auch ein langzeitliches Monitoring zu. Dabei entstehen keine Mauerwerksschäden durch die Messungen. Es ist eine einfache, günstige Messmethode, die keine großen Vorbereitungen und keine aufwendige Messtechnik erfordert.Due to these advantages, the new measuring method also allows long-term monitoring. There are no masonry damage caused by the measurements. It is a simple, inexpensive method of measurement that does not require much preparation or complex measurement technology.

Kurze Bezeichnung der ZeichnungShort name of the drawing

Bild 1: Vereinfachtes Schema zur Lichtdurchlässigkeit in der Poren des Bauwerkstoffes durch kondensierte FeuchteFigure 1: Simplified scheme for light transmission in the pores of the building material due to condensed moisture

Bild 2: Lichtoptischer Ein- und Mehr-Segment-SensorFigure 2: Light-optical single-segment and multi-segment sensor

Bild 3: Anwendung des Lichtoptischen Feuchte-Sensors in Mauerwerk mit Ansteuerung von der BauteiloberflächeFig. 3: Application of the light optical humidity sensor in masonry with control of the component surface

Bild 4. Anwendung des Lichtoptischen Feuchte-Sensors in Mauerwerk durch kleine KernbohrungFigure 4. Application of the light optical humidity sensor in masonry through a small core hole

Bild 5. Anwendung mehrerer lichtoptischer Feuchte-Sensoren in MauerwerkFigure 5. Application of several light-optical humidity sensors in masonry

Wege zur AusführungWays to execute

Die Ausführung des lichtoptischen Feuchte-Sensors kann sich konstruktiv und technologisch unterscheiden. Einerseits können Ein- oder Mehr-Segment-Feuchte-Sensoren bzw. die geometrisch definierte Anordnung von mehreren Sensoren zum Einsatz kommen, andereseits besteht die Möglichkeit, die Sensoren beim Errichten des Bauteils (Mauerwerk, o. ä.) am Messort zu applizieren oder nachträglich über eine kleine Kernbohrung in das Bauteil einzuführen.The design of the light-optical humidity sensor may differ structurally and technologically. On the one hand, single or multi-segment humidity sensors or the geometrically defined arrangement of several sensors can be used; on the other hand, it is possible to apply the sensors when erecting the component (masonry, or the like) at the measuring location or subsequently to insert into the component via a small core hole.

Beispiel 1example 1

Für die Herstellung des lichtoptischen Ein-Segment-Feuchte-Sensors werden verwendet: 1. Poröser Bauwerkstoff (PBW) – 15–40% off. Porosität 2. IR Lichtquelle (LED) – 900 nm, 3. Fotodiode (FD) – 450–1100 nm 4. Filter- und Kontaktschicht (FK) – wasserdurchlässiger dünner, elastischer, poröser Stoff Bauwerkstoffdicke – d > 2 mm Bauwerkstofform (Platte) – Quadrat oder Kreisform, A > 2 cm² For the production of the light-optical single-segment humidity sensor are used: 1. Porous material (PBW) - 15-40% off. Porosity 2. IR light source (LED) - 900 nm, 3. Photodiode (FD) - 450-1100 nm 4. Filter and contact layer (FK) - water-permeable, thin, elastic, porous fabric Construction material thickness - d> 2 mm Construction material form (plate) - Square or circular shape, A> 2 cm ²

Für die Kalibrierung des Feuchtegehalt des PBW wird bei 100% Durchfeuchtungsgrad des PBW mit der FD registriert. Die LED Spannung liegt stabil bei 2,5 V. Die Dicke des PBW (der Abstand zwischen LED und FD) ist so zu wählen, dass die registrierte FD Spannung 80%–90% des Maximalwertes entsprechend der Empfindlichkeit der FD beträgt.To calibrate the moisture content of the PBW, register at 100% moisture penetration of the PBW with the FD. The LED voltage is stable at 2.5 V. The thickness of the PBW (the distance between LED and FD) should be selected so that the registered FD voltage is 80% -90% of the maximum value according to the sensitivity of the FD.

Beispiel 2Example 2

Für die Herstellung des lichtoptischen Mehr-Segment-Feuchte-Sensors werden in geometrisch definierter Messanordnung mehreren LED und FD appliziert, um besseren Fehlerquotient zu erzielen. Die Messbedingungen bleiben die gleichen wie beim Ein-Segment-Feuchte-Sensor. 1. Poröser Bauwerkstoff (PBW) – 10–30% off. Porosität 2. Lichtquelle (LED) – 500–900 nm, 3. Fotodioden, (FD), mehrere – 450–1100 nm 4. Filter- und Kontaktschicht (FK) – wasserdurchlässiger dünner, elastischer, poröser Stoff Bauwerkstoffdicke – d > 0,9 mm Bauwerkstofform (Platte) – Quadrat oder Kreisform, A > 3 cm² To produce the light-optical multi-segment moisture sensor, a plurality of LEDs and FD are applied in a geometrically defined measuring arrangement in order to achieve a better error quotient. The measurement conditions remain the same as for the one-segment humidity sensor. 1. Porous material (PBW) - 10-30% off. Porosity 2. Light source (LED) - 500-900 nm, 3. Photodiodes, (FD), several - 450-1100 nm 4. Filter and contact layer (FK) - water-permeable, thin, elastic, porous fabric Construction material thickness - d> 0.9 mm Construction material form (plate) - Square or circular shape, A> 3 cm ²

Für die Kalibrierung des Feuchtegehaltes des PBW wird bei 100% Durchfeuchtungsgrad des PBW mit der FD registriert. Die LED Spannung liegt stabil bei 2,5 V. Die Dicke des PBW (der Abstand zwischen LED und FD) ist so zu wählen, dass die registrierte FD Spannung 80%–90% des Maximalwertes entsprechend der Empfindlichkeit der FD beträgt.The moisture content of the PBW is calibrated at 100% moisture penetration of the PBW with the FD. The LED voltage is stable at 2.5 V. The thickness of the PBW (the distance between LED and FD) should be selected so that the registered FD voltage is 80% -90% of the maximum value according to the sensitivity of the FD.

Claims

Light-optical humidity sensor, characterized in that a light source and receiver is installed in a compact, robust sensor unit with water-permeable shell in the building during construction or introduced into the volume of an existing component and the long-term, maintenance-free moisture measurement at the location positioned without adverse effect of dissolved salts and temperature fluctuations.

Light-optical humidity sensor according to claim 1, characterized in that between the light source and receiver of the built-up at the site porous material is used.

Optical light moisture sensor according to claim 1 to 2, characterized in that it is applied as a local single sensor (single-segment sensor) or as a multiple sensor (multi-segment sensor) with a defined measuring geometry corresponding to the application target.

Optical light moisture sensor according to claim 1 to 3, characterized in that it can be supplied via electrically insulated electrochemically inert cable lines from the outside with energy and can be addressed to obtain the measurement information or radio technology is permanently available.

Light-optical humidity sensor according to claim 1 to 4, characterized in that it is advantageously used for monitoring for the determination of optimal renovation times of the component or to control the sustainability of structural revitalization or renovation measures.