DE102014000667A1

DE102014000667A1 - Kapazitiver Sensor mit dielektrisch isolierten Elektroden

Info

Publication number: DE102014000667A1
Application number: DE102014000667.0A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-01-22
Filing date: 2014-01-22
Publication date: 2015-07-23

Abstract

Kapazitiver Sensor, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder/und mehrere Elektroden mit dielektrisch isoliertem Schicht und zwischen denen poröser Werkstoff in einer kompakten, robusten Sensoreinheit in das Volumen eines bestehenden Bauteil eingebracht wird und der langzeitlichen, wartungsfreien Flüssigkeitsgehaltmessung am positionierten Ort ohne das Messergebnisse verfälschende Wassersetzung dient.

Description

Die Erfindung betrifft einen kompakten kapazitiven Sensor für die Flüssigkeitsgehaltbestimmung mit einer oder/und mehreren dielektrisch isolierten Elektroden, zwischen denen ein offenporiger poröser Werkstoff angebracht ist.
Technisches Gebiet
Die Erfindung ist auf die messtechnischen Erfordernisse auf dem Gebiet mit langzeitlich geplanter Flüssigkeitsdiagnostik zu sehen z. B. im Bauwesen, in der Bautechnik oder dort, wo die Flüssigkeitsmenge gemessen wird.
Auf dem bautechnischen Gebiet ist es notwendig in größeren Zeitabständen an definierten Orten im Volumen von Bauteilen die Feuchte ohne Störeinflüsse wie Temperatur und korrosive Sensor-Degradation zu messen. Der kapazitive Feuchte-Sensor ist eine kompakte, robuste, mit dielektrisch isolierten Elektroden und poröser Werkstoff integrierte Maßeinheit. Der ermöglicht das Monitoring der Flüssigkeitsgehalte bzw. -verteilung im porösen Bauteilvolumen. Im Mittelpunkt der Erfindung steht die bisher unbekannte Kombination des kapazitiven Messprinzips mit porösem Werkstoff von vorteilhafter langzeitlicher Flüssigkeitsgehaltmessung.
Stand der Technik
Für eine realitätsnahe unverfälschte Messung des Feuchtegehaltes im Volumen von porösen Bauwerkstoffen sind bekanntermaßen elektrische Verfahren – Leitfähigkeitsmessungen – wegen des merklichen Störeinfluss von mobilen Salzionen und dem sekundären Temperatureinfluss prinzipiell nicht immer gut geeignet. Die kapazitiven Sensoren können im Vergleich mit elektrischen Sensoren in manchen Messbedingungen Vorteilhaft sein. Es gibt z. B. schon patentierte folgende kapazitive Sensoren mit den folgenden Eigenschaften: EP 0395937 A1 – Ein kapazitiver Feuchtesensor mit einem zwischen zwei Elektroden angeordneten Dielektrikum aus einem feuchtesensitiven organischen Polymeren erfüllt dann sämtliche Anforderungen in hohem Maße, insbesondere hinsichtlich einer hohen Langzeitstabilität, wenn das organische Polymere ein Polybenzoxazol oder ein Polybenzthiazol ist. EP 1222442 B1 – Ein erfindungsgemässer Sensor umfasst einen Verstärker, der durch einen Behälter und ein darin enthaltenes Medium kapazitiv gegen Masse belastet ist und der eine kapazitive Rückkopplung aufweist, die so dimensioniert ist, dass der Verstärker dann und nur dann oszilliert, wenn der kritische Füllstand nicht erreicht ist. EP 0 950 884 A1 – Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Sensor mit einer ersten und einer zweiten Elektrode, welche einander beabstandet gegenüberliegen und eine Messkapazität bilden. DE 4035371 C2 – Kapazitiver Feuchtesensor, bestehend aus einem Kondensator mit wenigstens zwei die Elektroden bildenden metallischen Schichten, von welchen die eine auf einem elektrisch hoch isolierendem Träger angeordnet ist und die zweite, außen gelegene, wasserdampfdurchlässig ist, wobei zwischen den Elektroden ein feuchteempfindlicher Film aus Polyetherimid als Dielektrikum nach Patent 39 19 864 vorgesehen ist. Kapazitive Feuchtesensoren werden z. B. zur Bestimmung der relativen Luftfeuchte eingesetzt. EP 1 236 038 B1 – Die Erfindung ist besonders Wirkungsvoll mit Elektroden aus Aluminium, oder Elektroden aus einem anderen, leicht oxidierbarem Material, wie z. B. Kupfer, Titan, Wolfram oder Polysilizium. Aluminium ist aber besonders bevorzugt, da es sich zur Herstellung mittels lithographischer Verfahren auf Halbleiterchips eignet.
Aufgabe
Aufgabe der Erfindung ist es, einen kapazitiven Feuchte-Sensor zu entwickeln, der gegenüber dem Elektroden Umgebung des Bauteils wenig empfindlich ist, aber sehr empfindlich auf die Flüssigkeitsgehalt. Er sollte kompakt, robust und in integrierter Form von Elektroden und poröser Werkstoff ausgeführt sein, um den Feuchtegehalt z. B. im Mauerwerk bzw. den porösen Baumaterialen oder Flüssigkeitsbehälter ohne die bekannten Störungen bzw. Messwertverfälschungen unter bauchemisch agressiven Bedingungen bestimmen zu können. Das Monitoring der Flüssigkeitsgehalte bzw. -verteilung im Bautenvolumen sollte sich für die Bauwerksüberwachung wartungsfrei bzw. minimalinvasiv durchführen lassen.
Darstellung der Erfindung
Der Vorteil des neuen kapazitiven Sensors besteht in der Herstellung kompakten und robusten Sensors mit dielektrisch isolierten Elektroden, welche chemisch Inert sind: benötigt keine korrosionsanfälligen Metallelektroden und schließt eine das Messergebnis verfälschende Wassersetzung (Elektrolyse) aus. Die Isolation der Elektroden wird durch eine elektrisch nichtleitende Kunststofffolie herausgebildet.
Der kapazitive Sensor ist schematisch in Bild 1 dargestellt und besteht aus folgenden Teilen:
Bezugszeichenliste

1: Dielektrisch isolierten Elektroden
2: Poröser Werkstoff-PWS
3: Koaxialkabel
4: Elektrische Anschluss

Der kapazitive Sensor mit mindestens zwei dielektrisch isolierten Elektroden ist ein Sensor, welcher nach dem Prinzip der Kapazitätsmessung eines Plattenkondensators funktioniert. Zu den Bauelementen gehören ein dünnes, elektrisch leitendes Metallblech, Isolierfolie, ein Koaxialkabel und Anschluss-Kontakte. Aus dem dünnen Metallblech werden zuerst die Elektroden zugeschnitten, die anschließend isoliert werden.
Je mehr Feuchtigkeit zwischen Elektroden vorhanden ist, desto größer ist Permittivitätszahl des Mediens zwischen den Elektroden. Im Labor werden die Werte des Sensors im unterschiedlich wasserbefeuchtetem Zustand kalibriert. Das Diagramm 1 zeigt beispielhaft die Messungen in Zementmörtel mit und ohne PWS.
Auf Grund dieser Vorteile lässt die neue Messmethode auch ein langzeitliches Monitoring zu. Es ist eine einfache, günstige Messmethode, die keine großen Vorbereitungen und keine aufwendige Messtechnik erfordert und entstehen dabei keine Schäden durch die Messungen.
Diagramm 1: Kapazität der Sensoren in Zement-Mörtel als Funktion der Zeit mit PWS und ohne
Kurze Bezeichnung der Zeichnungen

Bild 1: Kapazitiver Sensor mit dielektrisch isolierten Elektroden auf parallel Ebene.
Bild 2: Kapazitiver Sensor mit dielektrisch isolierten Elektroden in verschiedene Formen: (a) – die Elektroden in gleiche und (b) – in unterschiedliche Ebene

Wege zur Ausführung
Die Ausführung des kapazitiven Sensors kann sich konstruktiv und technologisch unterscheiden. Einerseits können zwei oder mehr Elektroden-Sensoren bzw. die geometrisch definierte Anordnung von mehreren Sensoren zum Einsatz kommen, andererseits besteht die Möglichkeit, die Sensoren beim Errichten am Messort zu applizieren. Für die Kalibrierung des Sensors wird die Kapazität in Farada (F) im vollgesättigtem, teilgesättigtem und nicht gesättigten Zustand mit der Flüssigkeit registriert.
Beispiel
Sensorform kann unterschiedliche Form haben, z. B. Quadrat, Kreisform, Linien oder andere. Für die Herstellung des kapazitiven Sensors werden verwendet:

1. Poröser Werkstoff (PWS) – mit off. Porosität > 10%

2. Dielektrisch isolierten Elektroden – Oberfläche > 1 mm²

3. Kabel – Koaxialkabel, wasserdicht
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 0395937 A1 [0004]
EP 1222442 B1 [0004]
EP 0950884 A1 [0004]
DE 4035371 C2 [0004]
EP 1236038 B1 [0004]

Claims

Kapazitiver Sensor, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder/und mehrere Elektroden mit dielektrisch isoliertem Schicht und zwischen denen poröser Werkstoff in einer kompakten, robusten Sensoreinheit in das Volumen eines bestehenden Bauteil eingebracht wird und der langzeitlichen, wartungsfreien Flüssigkeitsgehaltmessung am positionierten Ort ohne das Messergebnisse verfälschende Wassersetzung dient.
Kapazitiver Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Elektroden verbaute poröse Bauwerkstoff entsprechend der Messaufgabe unterschiedlich porös sein kann und als geeignetes Material am Messort zur Anwendung kommt.
Kapazitiver Sensor nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass er als lokaler Einzelsensor oder als Mehrfachsensor mit definierter Messgeometrie entsprechend dem Einsatzziel appliziert wird.
Kapazitiver Sensor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Sensor über elektrisch isolierte chemisch inerte Kabelleitungen oder auch funktechnisch permanent erreichbar ist.
Kapazitiver Sensor nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass er mit poröser Werkstoff und/oder ohne poröser Werkstoff zur Anwendung kommt.
Kapazitiver Sensor nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden in gleiche Ebene und/oder in verschiedene Ebene gebaut angewendet wird.
Kapazitiver Sensor nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden des Sensors in gleiche und/oder unterschiedliche Form gebaut hergestellt wird.