DE102015100711A1

DE102015100711A1 - Elektrisches Bauelement mit einem Sensorabschnitt aus Beton, Verfahren zu seiner Herstellung und seine Verwendung

Info

Publication number: DE102015100711A1
Application number: DE102015100711.8A
Authority: DE
Inventors: Thorsten Klooster; Jan Juraschek; Pat Taylor
Original assignee: Kennwert Rd GmbH
Current assignee: Universitaet Kassel De
Priority date: 2015-01-19
Filing date: 2015-01-19
Publication date: 2016-08-04
Anticipated expiration: 2035-01-20
Also published as: CN107110700A; IL253386A0; US20170370693A1; BR112017015512A2; EP3247982A1; SG11201705891QA; DE102015100711B4; AU2016208602A1; JP2018505803A; WO2016116458A1

Abstract

Die Erfindung beschreibt ein elektrisches Bauelement (10), das zumindest einen als Sensor ausgebildeten Abschnitt (12) (Sensorabschnitt) aus Beton umfasst, und das elektrisch leitfähige Zuschlagstoffe (22) enthält, die an einem oberflächennahen Bereich (24) mindestens einer Außenfläche (20) des Abschnitts (12) in einer höheren räumlichen Dichte vorliegen als im übrigen Abschnitt (12). Außerdem wird ein Verfahren zu seiner Herstellung und eine Verwendung des Bauelements (10) beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Bauelement, das zumindest einen als Sensor ausgebildeten Abschnitt aus Beton umfasst, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Bauelements und dessen Verwendung.
Die CN 101 602 591 B beschreibt eine Betonmischung, die ausgehärtet eine druckabhängige Leitfähigkeit bietet. Sie kann zur Herstellung einer Waage für Schwerlasten Verwendung finden.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Sensorelement zu schaffen, dass äußerst robust und langlebig ist, sowie dessen Herstellung und vorteilhafte Anwendungen anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch ein elektrisches Bauelement gelöst, das zumindest einen als Sensor ausgebildeten Abschnitt (Sensorabschnitt) aus Beton umfasst, der elektrisch leitfähige Zuschlagsstoffe enthält, die an einem oberflächennahen Bereich mindestens einer Außenfläche des Sensorabschnitts in einer höheren räumlichen Dichte vorliegen als im übrigen Abschnitt. Die elektrisch leitfähigen Zuschlagsstoffe liegen erfindungsgemäß ungleich verteilt vor, und zwar mit einer von dem oberflächennahen Bereich ausgehend abnehmenden Dichte. Dies ist insofern ungewöhnlich, als man bei der Herstellung herkömmlicher Bauteile aus Beton um ein gleichmäßig aufgebautes Korngerüst mit einer homogenen Verteilung der Zuschlagstoffe in der Matrix aus Wasser und Zement bemüht ist. Auf seine Homogenität wird schon beim Mischen, aber auch beim Einbringen des Betons in eine Schalung und beim Verdichten geachtet. Grundsätzlich funktioniert der Betonsensor auch bei einer kontinuierlichen Verteilung der elektrisch leitfähigen Zuschlagsstoffe. Erfindungsgemäß liegen die elektrisch leitfähigen Zuschlagsstoffe zumindest an einer Außenfläche des als Sensor ausgebildeten Abschnitts des Bauelements in einer hohen Konzentration und dort an dessen Oberfläche oder oberflächennah vor. Im Gegensatz zu allen anderen Zuschlagsstoffen des Bauelements aus Beton weisen also die elektrisch leitfähigen Zuschlagsstoffe vorteilhafter Weise eine diskontinuierliche Verteilung auf, während die übrigen Zuschlagsstoffe eine weitgehend kontinuierliche bzw. homogene Verteilung im Bauelement einnehmen. Die elektrisch leitfähigen Zuschlagsstoffe können in einem Wertebereich für die Konzentration von 2, 4, 5, 7 oder 9 bis ca. 10 Masse-% vorliegen. Ihre Dichte bzw. Konzentration wird vorteilhafterweise so gewählt, dass sie die gewünschten und erforderlichen Eigenschaften des Betonabschnitts, beispielsweise dessen Zug- und Druckfestigkeit nicht negativ beeinflussen. Ein weiteres Kriterium für die Konzentration können die Kosten des elektrisch leitfähigen Zuschlagsstoffs sein.
Erfindungsgemäß können grundsätzlich alle Betonarten für die Herstellung des Sensorabschnitts verwendet werden: Sowohl Normalbetone aller Qualitäten als auch Spezialbetone, Faser- oder Textilbetone, Glasschaum-, Leicht-, Polymerbetone, hochfeste, wasserundurchlässige oder transluzente Betone oder sonstige Hochleistungsbetone lassen sich einsetzen, sofern und soweit ihre Eigenschaften nicht durch die Zugabe der elektrisch leitfähigen Zuschlagstoffe beeinträchtigt werden.
Mit der erhöhten räumlichen Dichte bzw. Konzentration elektrisch leitfähiger Zuschlagsstoffe an der Oberfläche des Sensorabschnitts weist das Bauelement dort eine deutlich höhere elektrische Leitfähigkeit auf als im übrigen Betonabschnitt. Auch die Leitfähigkeit des Abschnitts aus Beton liegt also in einem zur Oberfläche senkrecht verlaufenden Schnitt betrachtet diskontinuierlich vor, nämlich entsprechend der Verteilung der elektrisch leitfähigen Zuschlagsstoffe. Die Erfindung wendet sich davon ab, die dadurch erreichte Leitfähigkeit des Betons in erster Linie zum Transport von Strom zu nutzten, also zur Ausbildung eines Stromleiters. Denn über größere Strecken hinweg ist Beton als Stromleiter verlustbehaftet. Die Erfindung verfolgt vielmehr das Prinzip, die verhältnismäßig schwache Konduktivität des Betonsbauelements, zur Übertragung von Information, also zur Umsetzung eines Informationsleiters einzusetzen, indem eine Änderung der Spannung, der Kapazität oder des Widerstands im konduktiven Sensorabschnitt erfasst wird.
Damit ermöglich die Erfindung die Ausbildung näherungs- oder berührungssensitiver Betonoberflächen, die die Ausbildung von Wandflächen nach dem „Touchscreen-Prinzip“ erlaubt. Das erfindungsgemäße Bauelement kann ein gegebenenfalls manuell zu betätigender mechanikfreier Berührsensor oder ein Näherungssensor sein. Alternativ dazu kann er Kenngrößen insbesondere eines belasteten Bauteils erfassen, beispielsweise eine Dehnungs-, Temperatur- oder Feuchtigkeitsänderung. Das erfindungsgemäß ausgebildete konduktive Beton-Bauelement kann damit Grundlage beispielsweise von mechaniklosen Bedienelementen zum Schalten und Steuern elektrischen Stroms einer technischen Gebäudeausrüstung (Licht, Lüftung, Heizung, Daten etc.) sowie von Haushaltsgeräten oder anderen elektronischen Geräten wie beispielsweise einer Stereoanlage darstellen. Die Erfindung erweitert damit die Möglichkeiten des Einsatzes, der Integration und der Positionierung von Sensorflächen und ihrer Nutzung als Schalter- oder Steuerungselemente, da sie prinzipiell kaum noch einem Zwang zu einer konkretisierten Lokalisierung unterliegen und vollständig in eine bauliche Struktur integriert werden können. Damit lassen sich Bedienelemente in den Dimensionen herkömmlicher Schalter, aber auch erhebliche größere Bedienelemente bis hin zu vollständigen Wänden als Schalter bzw. Steuerungselemente ausbilden.
Die Bedienelemente können auch additiv aufgebaut sein: Mehrere erfindungsgemäße Bauelemente aus konduktivem Beton können zusammen eine Bedienfläche bilden, deren Verhalten über eine Steuereinheit kontrolliert wird. Außerdem müssen Bauelemente nicht zusammenhängend angeordnet sein. Sie können beliebig über eine Wandfläche, über mehrere Wandflächen desselben Raums oder über ein Gebäude verteilt angeordnet sein.
Außerdem ermöglicht die Erfindung die Ausbildung intelligenter Bauelemente mit integrierten Kontrollfunktionen, zum Beispiel zur Erfassung von Verformungen hochbeanspruchter Bauelemente oder zur Messung des zyklischen Temperaturverhaltens schwerer Bauteile sowie zur Erfassung von Raumtemperatur- bzw. Feuchteänderungen:
Erfindungsgemäß werden die positiven Eigenschaften von Beton als brandsicherem, dauerhaftem, hochfestem und hinsichtlich seiner äußeren Form weitgehend frei gestaltbarem Baustoff um eine sensorische Komponente erweitert. Zusammen mit einer Rechnereinheit, die geringe Spannungs-, Kapazitäts- oder Widerstandsänderungen erkennt und zu Steuerungsbefehlen weiterverarbeiten kann, ergibt sich ein Materialsystem, dass in einer von sogenannten Touchscreens bekannten Weise bedient werden kann.
Der Einbau herkömmlicher ortsgebundener Bedienelemente kann zahlreiche Nachteile schon bei ihrer Anordnung, beispielsweise hinsichtlich ihrer Erreichbarkeit für Kinder, Erwachsene oder Behinderte, hinsichtlich ihrer Dauerhaftigkeit der mechanisch beanspruchten Teile und wegen ihrer Anfälligkeit gegenüber Umwelteinflüssen, zum Beispiel elektrischer Schalter in Feuchträumen, mit sich bringen. Die Erfindung dagegen kann ein brandsicheres, großflächiges, vandalismussicheres und weitgehend feuchteunempfindliches Betätigungselement bieten. Als reines Sensorelement für die Erfassung von Verformungs-, Temperatur- oder Feuchteänderungen lässt es sich problemlos und vollkommen unauffällig verbauen und bietet eine ebenso hohe Haltbarkeit und Widerstandsfähigkeit.
Seine Feuchteunempfindlichkeit und die Möglichkeit, das erfindungsgemäße Bauelement für die Erfassung von Feuchteänderungen zu nutzen, stehen dabei nicht im Widerspruch. Das Bauelement ist nicht grundsätzlich feuchteunempfindlich, sonst könnte es Feuchteänderungen nicht erfassen. Seine Funktionsfähigkeit wird aber durch eine erhöhte Luftfeuchte nicht oder gegebenenfalls positiv beeinflusst. Das Gesamtverhalten des Bauelements wird im Wesentlichen durch allgemeine Betoneigenschaften – relativ hohe bis sehr hohe Dichtigkeit an der Oberfläche, speziell als Sichtbetonanwendung – und die durch die Zuschlagstoffe erhöhte Konduktivität – die sich in feuchten Medien tendenziell verbessert – definiert.
Das elektrische Feld der schwach geladenen Betonelemente ändert sich infolge einer Berührung der Oberfläche. Die durch eine Berührung induzierte Änderung des elektrischen Feldes wird je nach erforderlicher Signalauflösung mittels einer Ableitung an geeigneter Stelle des Bauteils, z. B. auf seiner Rückseite oder über ein Raster solcher Ableitungen, wie metallische Einbauteile in Form von Stiften oder ähnlichem, deren Anordnung zugleich die Ortsauflösung des Bauteils definiert, detektiert und lokalisiert und als Signal an eine signalverarbeitende Einheit weitergegeben. Die signalverarbeitende Einheit bzw. Steuerungseinheit kann frei programmiert werden. Gemäß ihrer Programmierung sendet die signalverarbeitende Einheit Steuerbefehle an Aktoren oder Geräte wie beispielsweise Leuchten, Stellmotoren von Verschattungseinrichtungen, Steuerungen von Klimaanlagen und dergleichen.
Die signalverarbeitende Einheit befindet sich in der Regel außerhalb des Bauteils. Ihre Anordnung kann baulichen bzw. fachplanerischen Erwägungen folgen. Sie kann letztlich überall, auch im Betonbauteil selbst positioniert werden. Praktikabel ist die Integration in eine Haupt- oder Unterverteilung, vergleichbar einer modernen Dimmereinheit.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann das Bauelement als kapazitiv, als induktiv oder als resistiv wirkender Sensorabschnitt ausgebildet sein:
Als kapazitiver Sensor kann der erfindungsgemäß elektrisch leitfähige Sensorabschnitt als Platte eines Kondensators dienen, dessen Ladung sich verändert, sobald insbesondere ein Dielektrikum wie der Mensch in seine unmittelbare Nähe kommt. Eine unmittelbare Berührung ist dafür nicht erforderlich.
Als induktiver Sensor kann für seine Bedienung ein separates Bedienungselement erforderlich sein. Es baut mittels einer Spule ein Magnetfeld auf, dessen Bewegung an seiner Oberfläche das kapazitiv wirkende Sensorelement detektiert. Als Schalterelement kann das induktive Sensorelement das separate Bedienelement zum Schalten erfordern, indem das Bedienelement bei einer ausreichenden Annäherung an das Sensorelement eine Änderung des Magnetfels hervorruft. Das Erfordernis eines Bedienelements kann damit eine beliebige oder unbefugte Betätigung des Schalterelements verhindern und nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip funktionieren.
Als resistiver Sensor kann eine dünne Betonscheibe mit elektrisch leitfähigen Zuschlagsstoffen an einer Oberseite bzw. in einer oberflächennahen Schicht ausgebildet sein, so dass eine Durchbiegung der Betonscheibe als Widerstandsänderung elektrisch sensierbar ist.
Die Ladungs-(bzw. Spannungs- oder Widerstands-)änderung des Sensorabschnitts aus Beton kann über einen Erfassungseinrichtung ermittelt und zu einem Steuerungsbefehl verarbeitet werden. Damit kann das Bauelement auch an unterschiedliche Einsatzbereiche und Anforderungen angepasst werden und entweder berührungsfrei bedienbar sein oder eine Berührung erfordern. Die Erfindung verfolgt also das Prinzip, eine Ladungs-, Spannung- oder Widerstandsänderungen im Sensorabschnitt zu detektieren und daraus Schalt- oder Steuerungssignale zu generieren. Damit genügt eine geringere Leitfähigkeit des Bauelements, die durch die Beeinflussung der räumlichen Dichte der elektrisch leitfähigen Zuschlagsstoffe noch optimiert wird. Außerdem schaltet oder steuert das erfindungsgemäße Schalt- oder Steuerungselement nicht mehr unmittelbar den Arbeitsstrom, der eine Leuchte, eine Maschine oder dergleichen betreibt, sondern einen vom Bediener entfernt und vorzugsweise gegen unerwünschte Einflüsse abgesichertes Schaltelement.
Die elektrisch leitfähigen Zuschlagsstoffe können in dem oberflächennahen Bereich des Abschnitts aus Beton grundsätzlich in beiden Raumrichtungen der Erstreckung der Oberfläche hinweg gleichmäßig verteilt sein, um bei einer Annäherung oder Berührung an jedem Ort der Oberfläche dieselbe elektrische Reaktion hervorzurufen. Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können die elektrisch leitfähigen Zuschlagsstoffe in einer Draufsicht auf die Außenfläche bzw. Bauteiloberfläche des als Sensor ausgebildeten Abschnitts ungleichmäßig verteilt sein. Dabei können sie je nach Einsatzzweck einem regelmäßigen oder einem unregelmäßigen Muster folgen. Mit einer diskontinuierlichen Verteilung der elektrisch leitfähigen Zuschlagsstoffe kann dementsprechend auch die näherungs- oder berührsensitive Funktion einem bestimmten vorgegebenen Muster folgen. Das Muster kann aus rein optischen Gründen vorgegeben sein. Alternativ kann das Muster technischen Zwecken dienen, beispielsweise durch eine nur teilflächige, aber regelmäßige Anordnung zu einem sparsameren Einsatz der elektrisch leitfähigen Zuschlagsstoffe führen.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Bauelement in den oberflächennahen Bereich des Sensorabschnitts an- oder eingebrachte elektrische Schnittstellen zu einem elektrischen Stromkreis, insbesondere zu einer elektrischen Steuerungs- oder Rechnereinheit. Die elektrischen Schnittstellen oder Kontakte können elektrisch leitfähige Stifte, Bolzen, Schraubbolzen, Hülsen mit Innengewinden, Klemmen oder dergleichen umfassen. Sie stehen in Kontakt mit dem oberflächennahen Abschnitt, zum Beispiel indem sie in ihn hineinreichen, und stellen damit einen leitenden Kontakt zu den elektrisch leitfähigen Zuschlagsstoffen her.
Bei deren gleichmäßiger Verteilung in der Oberfläche können die Schnittstellen in einer rasterartigen Anordnung vorliegen, um eine Ortsauflösung hinsichtlich einer Betätigung des Bauelements zu ermöglichen. Beispielsweise mit einer gitternetzartigen Anordnung von elektrischen Schnittstellen an den Kreuzungspunkten eines Gitternetzes aus quadratischen Teilflächen kann der Ort einer Annäherung an den oder eine Berührung des Sensorabschnitt(s) detektiert werden, da sie in aller Regel in eines der quadratischen Teilflächen des Gitters fällt. Die Teilfläche lässt sich durch ihre vier Eckpunkte lokalisieren. Mit einer Lokalisierung einer Annäherung oder Betätigung lassen sich einzelnen oder mehreren Teilflächen einer derartigen Gitternetzstruktur bestimmte unterschiedliche Funktionen zuordnen, womit das Bauelement die Grundlage für eine komplexere Bedienung bieten kann. So können im Raster eines Gitternetzes nicht nur unterschiedliche Funktionen über- bzw. nebeneinander angeordnet sein, wie beispielsweise Schalterfunktionen für verschiedene Beleuchtungskörper in einem Vortragsraum. Es kann auch dieselbe Funktion in gradueller Abstufung angeboten werden, womit beispielsweise einer Dimmerfunktion ausgebildet werden kann.
Bei einer ungleichmäßigen Verteilung der elektrisch leitfähigen Zuschlagsstoffe in der Oberfläche können die Schnittstellen vorteilhafter Weise an einem der ungleichmäßigen Verteilung zugrundeliegenden Muster orientiert sein.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann der Sensorabschnitt über Carbon, Graphit, Eisen, metallische Pigmente oder Metalloxyd als elektrisch leitfähige Zuschlagsstoffe verfügen. Carbon kann vorzugsweise in Form sogenannter Carbonnanoröhrchen und Eisen als Späne oder Stahlfasern zugegeben werden. Mit diesen Zuschlagsstoffen bestehen bereits Erfahrung hinsichtlich ihrer Verarbeitung und ihres Einsatzes in Beton.
Um auch ohne mechanisches Bedienelement als in einer Gebäudewand lediglich teilflächig angeordneter Schalter oder Steuerungselement erkennbar zu sein, kann der Ort des erfinderischen Sensorabschnitts durch eine beispielsweise farbige Markierung auf der Gebäudewand kenntlich gemacht sein. Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann das Sensorelement über eine mittels des elektrisch leitenden Zuschlags erzeugte, optisch wahrnehmbare Markierung an seiner Oberfläche verfügen. Eine separate Markierung für den Ort des Sensorabschnitts an sich oder für die ihm zugeordnete Funktion kann damit entfallen. Die erfindungsgemäße Markierung ist darüber hinaus in aller Regel auch wesentlich dauerhafter, weil sie nicht durch intensive Benutzung beispielsweise im öffentlichen Raum abgetragen werden kann. Als geeigneter Zuschlagsstoff können Metalloxyde und alle weiteren zum Färben von Beton bekannten Stoffe zum Einsatz kommen, sofern sie elektrisch leitfähig sind. Damit erhält der elektrisch leitfähige Zuschlagsstoff eine Doppelfunktion, womit der Arbeitsschritt und das Material für eine separate Markierung und die damit zusammenhängenden Kosten entfallen können.
Das erfindungsgemäße Bauelement kann nicht nur als Bedienelement eines Schalters oder Steuerungselements dienen, sondern auch ausschließlich als Sensor zur Erfassung veränderbarer Bauteilkenngrößen wie beispielsweise Temperatur, Verformung oder Feuchte. Als solches kann es vorteilhaft in einem zu sensierenden Bauteil als monolithisch angeordneter Sensor aus elektrisch leitfähigem Beton eingebaut sein. So kann es beispielsweise in der Zugzone eines hochbelasteten Betonträgers angeordnet sein, indem der Träger zugzonenseitig mit einer Aussparung hergestellt wird, in die anschließend das erfindungsgemäße Bauteil an- bzw. einbetoniert wird. In ähnlicher Weise kann er in einem anderen Bauteil, beispielsweise auch in einer gemauerten Wand eingebaut sein, um die Änderung einer Verformung, Raumfeuchte oder -temperatur zu erfassen. Durch eine Verformung, eine Änderung einer Raumfeuchte oder -temperatur verändert sich der elektrische Widerstand des Sensorabschnitts, was eine Rechnereinheit erfassten und auswerten kann.
Beton als Baustoff bietet bekannter Maßen eine Vielzahl an Anwendungsmöglichkeiten. Das erfindungsgemäße Bauelement bietet daher ebenfalls eine weitere Vielzahl an Anwendungsmöglichkeiten wie die Ausbildung von großflächigen leitfähigen Bauteilen als Vorsatzschale, die Herstellung von dünnwandigen Bauteilen aus leitfähigem Beton, die als Einbauteile in größere Bauteile integriert werden, die Herstellung von dünnwandigen Bauteilen aus leitfähigen Beton, die frei positioniert werden können, also Elemente, die wie bzw. anstelle von Lichtschalter(n) oder -taster(n) verbaut werden, die Herstellung von Bedienelementen aus leitfähigen Beton für den Außenbereich, die sehr robust und langlebig, beispielsweise für Outdoor-Küchen.
Die eingangs genannte Aufgabe wird außerdem durch ein Verfahren zur Herstellung eines näherungs- oder berührungsempfindlichen elektrisches Bauelements mit den folgenden Schritten gelöst:

a) Zubereiten einer Betonmatrix für Frischbeton,
b) Beimischen von elektrisch leitfähigen Zuschlagsstoffen in den Frischbeton,
c) Einbringen des Frischbetons in eine Schalung für das herzustellende Bauelement,
d) Erhöhen der räumlichen Dichte zumindest eines Teils der elektrisch leitfähigen Zuschlagsstoffe nahe einer Bauteiloberfläche,
e) Aushärtenlassen des Betonbauelements.

Das erfindungsgemäße Verfahren unterscheidet sich zunächst nicht wesentlich vom herkömmlichen Betoniervorgang, indem Frischbeton in eine Schalung eingebracht wird, in der sie aushärtet. Anschließend wird die Schalung in aller Regel entfernt. Als Schalung wird eine Gussform verstanden, in die der Frischbeton zur Herstellung eines Betonbauteils eingebracht wird. Nach dem Erhärten des Betons wird sie im Regelfall entfernt. Damit stellt die Schalung das Negativ des Betonbauteils dar. Schalungen, die nach dem Aushärtenlassen des Betons nicht entfernt werden (sogenannte verlorene Schalungen), können auch andere Bauteile, beispielsweise Betonbauteile sein, die an ihrem Ort in einer Baukonstruktion verbleiben. Eine Vertiefung in einem Bauteil, die mit Frischbeton ausgefüllt wird, kann ebenfalls eine verlorene Schalung darstellen.
Anders als bei herkömmlichen Verfahren enthält die Betonmatrix des erfindungsgemäßen Frischbetons zum einen elektrisch leitfähige Zuschlagsstoffe. Der Zeitpunkt ihrer Beimischung hängt beispielsweise von der Verarbeitbarkeit der elektrisch leitfähigen Zuschlagsstoffe ab. Grundsätzlich können sie zu nahezu jedem beliebigen Zeitpunkt beigegeben und wie alle übrigen Zuschlagsstoffe behandelt werden. Die Verfahrensschritte a) und b) müssen also nicht zwingend zeitlich nacheinander erfolgen, sondern können gegebenenfalls auch gleichzeitig ablaufen.
Erfindungsgemäß wird zum anderen die räumliche Dichte zumindest eines Teils der elektrisch leitfähigen Zuschlagsstoffe im Frischbeton dahingehend verändert, dass sich zumindest ein Teil der elektrisch leitfähigen Zuschlagsstoffe in einem definierten Bereich an einer Bauelementoberfläche bzw. Bauelementaußenfläche befindet. Damit liegt ein Teil der elektrisch leitfähigen Zuschlagsstoffe in einer im Querschnitt des Bauelements betrachtet ungleichmäßigen Verteilung vor, bei der sie sich nahe oder an einer Bauteiloberfläche verteilungsmäßig konzentrieren, während sie im übrigen Bereich nicht oder kaum, also in äußerst geringer Konzentration vorliegen. Die elektrisch leitfähigen Zuschlagsstoffe nehmen damit eine für eine Betonmatrix äußerst ungewöhnliche und im Allgemeinen unerwünschte ungleichmäßige Verteilung ein, machen also den Beton in dieser Hinsicht inhomogen. Damit aber lässt sich nach dem Aushärtenlassen und nach dem Ausschalung ein Betonbauelement erhalten, das jedenfalls an einer Bauelementaußen- bzw. -oberfläche eine besonders hohe elektrische Leitfähigkeit gegenüber Normalbeton aufweist. Damit lässt es sich vorteilhaft in der oben bereits dargestellten Weise einsetzen.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann in Schritt b) zumindest ein Teil von magnetisch beeinflussbaren Zuschlagstoffen beigemischt werden und in Schritt d) ein Magnetfeld an der mit dem erfindungsgemäß zubereiteten Frischbeton befüllten Schalung aufgebaut werden. Das Magnetfeld kann in der Fläche betrachtet aus funktionalen und/oder optischen Gründen gleichmäßig oder ungleichmäßig aufgebracht werden. Die magnetisch beeinflussbaren elektrisch leitfähigen Zuschlagsstoffe lassen sich magnetisch in ihrer räumlichen Lage beeinflussen. Sie können dafür ferromagnetisch, paramagnetisch oder diamagnetisch sein. Bei ferro- und paramagnetischen Zuschlagsstoffen wird das Magnetfeld auf derjenigen Schalungsseite angebracht, die der zukünftigen berührungsempfindlichen Oberfläche des Betonbauelements näher liegt. Bei diamagnetischen Zuschlagsstoffen dagegen wird das Magnetfeld an der gegenüberliegenden Schalungsseite aufgebaut. Mit dem Aufbau des Magnetfelds lassen sich die magnetischen und elektrisch leitfähigen Zuschlagsstoffe an oder nahe einer Bauteiloberfläche konzentrieren, solange sie im Frischbeton weitgehend frei beweglich sind, er also noch nicht abgebunden hat. Die Bewegung der magnetischen Zuschlagsstoffe durch Einwirkung des Magnetfelds lässt sich noch unterstützen, indem der Beton zum Beispiel durch Außen-, Schalungs- oder Innenrüttler verdichtet wird.
Das Magnetfeld lässt sich beispielsweise durch Permanentmagnete aufbringen, die unmittelbar an der Schalung dauerhaft angebracht oder abnehmbar befestigt sein können. Alternativ kann das Magnetfeld auf Elektromagnetismus beruhen. Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann ein gepulstes Magnetfeld aufgebaut werden, das insbesondere nicht kontinuierlich anliegt. Einerseits kann damit über die Stromstärke die Intensität des Magnetfelds gesteuert und andererseits Energie eingespart werden, indem das Magnetfeld nicht dauerhaft aufrechterhalten werden muss. Denn nach Erreichen einer gewissen Konzentration der magnetisch beeinflussbaren elektrisch leitfähigen Zuschlagsstoffe verliert sich die erreichte Verteilung nicht ohne weiteres wieder, sobald insbesondere die Rüttler wieder abgeschaltet sind. Mangels Bewegungsmöglichkeit bleibt die dann erreichte Verteilung der magnetischen Zuschlagsstoffe weitgehend aufrecht erhalten.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können die elektrisch leitfähigen Zuschlagsstoffe in einer Draufsicht auf die Bauteiloberfläche ungleichmäßig verteilt werden. Damit lässt sich eine Bauteilfläche erreichen, die eine ortsabhängige unterschiedliche Berührsensitivität aufweist. Die ungleichmäßige Verteilung der elektrisch leitfähigen Zuschlagsstoffe kann beispielsweise durch Anlegen von Magnetfeldern unterschiedlicher Stärke, durch Betonieren „in zwei Phasen“, nämlich durch Einbringen von Frischbeton ohne oder mit einem geringeren Anteil an konduktivem Zuschlag und durch Einbringen von Frischbeton mit bzw. mit einem höheren Anteil an konduktivem Zuschlag in eine Schalung erfolgen. Schließlich kann die ungleichmäßige Verteilung der elektrischen Leitfähigkeit durch ortsbezogenes Aufbringen einer leitfähigen Schicht auf ein frisches oder bereits ausgehärtetes erfindungsgemäßes Betonbauteil mit gleichmäßiger Verteilung des konduktiven Zuschlags erzielt werden. Die leitfähige Schicht kann als Druck- oder Sprüh-Beschichtung zum Beispiel durch eine Graphit-Zement-Beschichtung oder als dünne Spritzbetonschicht erfolgen.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden elektrische Kontakte vor Schritt c) in die Schalung oder nach dem Schritt e) im ausgehärteten Betonbauteil montiert. Vor Schritt c) lassen sie sich vorteilhaft in der Schalung positionieren und einbauen, so dass die elektrischen Kontakte bereits beim Betonieren befestigt werden. Damit erhält man nach dem Ausschalen ein fertiges erfindungsgemäßes Betonbauelement mit berührungssensitiver Oberfläche. Soll dagegen der Aufwand für das Einbringen der elektrischen Kontakte in die Schalung vermieden werden, so können sie auch erst nach dem Ausschalen ausgehärteter Betonbauteile beispielsweise in einer Bohrung nachträglich montiert werden. Damit kann das Betonelement einer konkreten Einbausituation eventuell besser angepasst werden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können die elektrischen Kontakte in einem nahezu beliebig gewählten Muster, beispielsweise in einem gleichmäßen Raster angeordnet werden. Ihre Anordnung bestimmt sich im Wesentlichen nach der Verteilung der elektrisch leitfähigen Zuschlagsstoffe im Betonbauelement. Sind sie gleichmäßig über die berührungssensitive Oberfläche des Bauelements verteilt, kann die Anordnung der elektrischen Kontakte nahezu beliebig gewählt werden. Nehmen die Zuschlagsstoffe in der Bauelementoberfläche jedoch eine ungleichmäßige Verteilung ein, so ist auch die Anordnung der elektrischen Kontakte daraufhin abzustimmen, damit sie nicht in einen Bereich einer zu geringen Konzentration elektrisch leitfähiger Zuschlagsstoffe angeordnet werden. Mit einem gleichmäßigen Raster an elektronischen Kontakten jedenfalls lässt sich eine Ortsauflösung ermöglichen, womit der Ort einer Annäherung an das Betonbauteil oder deren Berührung räumlich eingegrenzt und daher genauer erfasst werden kann.
Die eingangs genannte Aufgabe wird außerdem durch ein Verfahren zur Herstellung eines näherungs- oder berührungsempfindlichen elektrisches Bauelements gelöst, wobei das Bauteil in zwei Phasen betoniert wird, nämlich in einer ersten Phase mit einem beispielsweise herkömmlichen Beton und in einer zweiten Phase mit einem Beton mit elektrisch leitfähigem Zuschlag. Die Herstellung eines näherungs- oder berührungsempfindlichen elektrisches Bauelements mit einer in Richtung auf eine Oberfläche hin zunehmenden Dichte an elektrisch leitfähigem Zuschlag im Betonbauteil lässt sich folglich auch zwei- oder mehrstufig erreichen, indem Schichten mit unterschiedlicher Konzentration an mit elektrisch leitfähigen Zuschlagstoffen aufgebracht werden. Das Aufbringen der Schichten kann – insbesondere bei vertikal zu erstellenden Bauteilen – eine Druck- oder Sprühbeschichtung, zum Beispiel eine Graphit-Zement-Beschichtung, oder eine dünne Spritzbetonbeschichtung umfassen. Das Verfahrensergebnis kann als Vorsatzschale aus Frischbeton mit konduktivem Zuschlag auf einem Frischbeton „ohne“ konduktiven Zuschlag betrachtet werden.
Alternativ kann das erfindungsgemäße Bauteil als Betonfertigteil hergestellt und auf eine nahezu beliebige Gebäudewand aufgebracht oder bündig eingelassen werden. Es kann bereits über die erforderlichen elektrischen Anschlüsse verfügen, über die es an eine Steuerungseinrichtung bzw. Hauselektronik angeschlossen wird. Dadurch eignet es sich auch zur Nachrüstung, weil auch das Nachrüsten der erforderlichen elektrischen Leitungen in der Regel ohne nennenswerten aufwand erfolgen kann. In eine vorhandene Wand eingelassen kann es flächenbündig eingesetzt werden oder bewusst mit einem Höhen- bzw. Tiefenversatz, um es als Funktionsfläche gegenüber der übrigen Wandfläche optisch abzuheben.
Die Erfindung bietet außerdem eine Reihe von weiteren Anwendungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen elektronischen Bauelements durch Verfahren zur Ermittlung der Position eines mobilen Kommunikationsgeräts in einem Gebäude mit elektronischen Bauelementen und mit einem Zentralrechner, der je Bauelement Ortsinformationen jedes Bauelements innerhalb des Gebäudes und jeweils einen weiteren Datensatz speichert. Das Verfahren gliedert sich in die folgenden Schritte:

a) Kontaktaufnahme des Kommunikationsgeräts mit dem Zentralrechner,
b) Aufforderung zum Betätigen des elektronischen Bauelements,
c) Erfassen einer Betätigung des elektronischen Bauelements,
d) Übermitteln des dem betätigten elektronischen Bauelement zugeordneten weiteren Datensatzes an das Kommunikationsgerät.

Als mobiles Kommunikationsgerät ist insbesondere ein Smartphone anzusehen. Die elektronischen Bauelemente können an nahezu beliebigen Stellen innerhalb eines Gebäudes angeordnet sein, solange sie in einer durch einen Benutzer z.B. mit einer Hand erreichbaren Lage angebracht sind. Ihre jeweilige genaue Lage innerhalb des Gebäudes ist einem gebäudeeigenen Zentralrechner bekannt. Nach Kontaktaufnahme des Kommunikationsgeräts über bekannte herkömmliche Kommunikationstechniken mit dem Zentralrechner kann der Benutzer das elektronische Bauelement berühren. Die Berührung wird in der oben beschriebenen Weise erfasst und an den Zentralrechner übermittelt. Damit kann der Standort des Benutzers des Kommunikationsgeräts unabhängig von bekannten, beispielsweise GPS-gestützten Ortungstechnologien innerhalb des Gebäudes erfasst und dem Zentralrechner mitgeteilt werden. Daraufhin kann der Zentralrechner dem Kommunikationsgerät den weiteren Datensatz übermitteln, der zum betätigten Bauelement abgespeichert ist. Damit können einem dem Benutzer beispielsweise Wege zu konkreten Einrichtungen wie Frühstücksräumen, Spa-Bereichen oder Fluchtwege in einem unbekannten Hotel oder einem Besucher eines Museum Daten zu Exponaten durch einfache Berührung einer Wandfläche vermittelt werden. Die Wandfläche kann darüber hinaus mehrere voneinander unterscheidbare Flächen aufweisen, denen unterschiedliche Daten zugeordnet sind und deren Aktivierung unterschiedliche Informationen vermitteln.
Das Prinzip der Erfindung wird im Folgenden anhand einer Zeichnung beispielshalber noch näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
1: eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen elektrischen Bauelements,
2: eine Prinzipdarstellung der Herstellung eines erfindungsgemäßen Sensorabschnitts,
3: eine alternative Herstellungsweise eines Sensorabschnitts,
4: ein Anwendungsbeispiel der Erfindung,
5: eine Schnittansicht einer ersten Ausgestaltungsform einer Hausinstallation,
6: eine dazu alternative Ausgestaltungsform,
7: ein Ausführungsbeispiel für eine Gebäudeinstallation und
8: ein Beispiel für eine erfindungsgemäße optische Gestaltung.
Das erfindungsgemäße elektrische Bauelement setzt sich gemäß 1 aus einem als Sensor ausgebildeten Abschnitt 12 aus Beton und einer später näher erläuterten Elektronik 14 zusammen. Der Sensorabschnitt 12 ist quaderförmig ausgebildet, umfasst folglich sechs Außenflächen, von denen eine rückseitige Fläche 16, zwei einander gegenüberliegende Seitenfläche 18, 19 und eine Bauteiloberfläche 20 bezeichnet sind. Der Sensorabschnitt 12 besteht im Wesentlichen aus herkömmlichem Beton. Erfindungsgemäß enthält er zusätzlich elektrisch leitfähige Zuschlagsstoffe 22. Die herkömmlichen Bestandteile des Sensorabschnitts 12 aus Beton sind bekanntermaßen möglichst gleichmäßig verteilt, um den Sensorabschnitt 12 eine homogene Struktur zu verleihen. Die elektrisch leitfähigen Zuschlagsstoffe 22 dagegen sind ungleichmäßig verteilt. Ihre Dichte ist in einem oberflächennahen Bereich 24, der unmittelbar an die Bauteiloberfläche 20 anschließt, besonders hoch. Von der Bauteiloberfläche 20 aus betrachtet in Richtung auf die rückseitige Fläche 16 hin nimmt die Dichte der elektrisch leitfähigen Zuschlagsstoffe 22 zumindest stark ab.
In den Sensorabschnitt 12 ragen zwei Bolzen als stabförmige elektrisch leitende Kontakte 26, 28 und dort in den oberflächennahen Bereich 24 hinein. Der Kontakt 26 reicht von der rückseitigen Fläche 16 aus bis fast zur Bauteiloberfläche 20 hin, der Kontakt 28 liegt von der Seitenfläche 18 ausgehend im oberflächennahen Bereich 24. Beide Kontakte 26, 28 stellen eine elektrische Schnittstelle zum oberflächennahen Bereich 24 dar, in dem die elektrisch leitfähigen Zuschlagsstoffe 22 in besonders hoher Konzentration vorliegen. Die Kontakte 26, 28 sind über Leitungen 30 mit einer Stromquelle 32 und einer Steuerungseinrichtung 34 verbunden.
Durch sein Aufbau und seiner Zusammensetzung bietet der Sensorabschnitt 12 auf seiner Bauteiloberfläche 20 eine hohe Konduktivität seines Betonmaterials. Diese elektrische Leitfähigkeit seiner Bauteiloberfläche 20 kann dazu genutzt werden, Kapazitäts-, Ladungs- oder sie beeinflussende Temperatur-, Verformungs- oder Feuchteänderungen zu detektieren. Das Bauelement 10 kann folglich jedenfalls als kapazitiver, ggf. als induktiver oder resistiver Sensor wirken. Die Bauteiloberfläche 20 kann aufgrund ihrer elektrischen Leitfähigkeit erfindungsgemäß als eine von zwei Elektroden eines kapazitiven Sensors dienen, deren Kapazität sich ändert, sobald entweder ein elektrisch leitendes Material oder ein Dielektrikum in die unmittelbare Nähe gebracht wird. Als Dielektrikum, eine elektrisch schwach- oder nicht leitende, nicht metallische Substanz, deren Ladungsträger im Allgemeinen nicht frei beweglich sind, kann beispielsweise ein Mensch bzw. dessen Hand oder Finger dienen, der bzw. die auf die Bauteiloberfläche 20 oder in deren unmittelbare Nähe gelangen. Dadurch ändert sich die Kapazität des oberflächennahen Abschnitts 24. Über die Kontakte 26, 28 sensiert die Steuerungseinrichtung 34 die dortige Kapazitätsänderung. Daraufhin gibt die Steuerungseinrichtung 34 ein Signal ab, das eine mit der Berührung der Bauteiloberfläche 20 erwünschte Wirkung hervorruft. Damit kann das Bauelement 10 als Näherungs- oder Berührschalter dienen, mit dem beispielsweise eine Raumbeleuchtung geschaltet wird, und einen herkömmlichen Lichtschalter ersetzen. Im Gegensatz zum Stand der Technik ist dafür allerdings kein herkömmlicher mechanischer Schalter mit beweglichem Teilen mehr erforderlich, die dem Verschleiß unterliegen und gegebenenfalls Umwelteinflüssen gegenüber geschützt werden müssen. Stattdessen lässt sich das erfindungsgemäße elektrische Bauelement 10 als Schalter in einer herkömmlichen Betonwand ohne jegliche bewegbare Teile anordnen. Es ist damit äußerst robust und insbesondere vandalismussicher ausgebildet, womit es sich beispielsweise als Schalter im öffentlichen Raum eignet. Aufgrund seiner Herstellung aus Beton lässt es sich zudem in den nahezu jede beliebige Form und Gestalt bringen. Insbesondere ist es flächenmäßig nicht begrenzt, wodurch sich Schalter mit einer Betätigungsfläche nahezu beliebiger Größe gestalten lassen.
2 zeigt eine stark schematisierte Abfolge von Herstellungsschritten zu Produktion eines erfindungsgemäßen Sensorabschnitts 12: in eine oberseitig offene, quaderförmige Schalung 40 gemäß 2a wird eine Betonmatrix 42 eingefüllt, die eine homogene Betonmatrix aus herkömmlichen Zuschlagsstoffen, Wasser und Zement, sowie zusätzlich elektrisch leitfähigen Zuschlagsstoffe 22 enthält. An einer Unterseite 44 der Schalung 40 sind zwei Elektromagnete 46 angebracht und mit einer Stromversorgung 48 verbunden.
Nach dem Einfüllen der Betonmatrix 42 in die Schalung 40 gemäß 2a werden die Elektromagnete 46 mit Strom beaufschlagt, sodass sie ein Magnetfeld in der Schalung 40 aufbauen. Die elektrisch leitfähigen Zuschlagsstoffe 22 sind in der noch frischen Betonmatrix 42 zunächst weitgehend frei beweglich. Unter dem Einfluss des Magnetfeldes lagern sie sich auf der Schalung 40 in zwei Bereichen 23 oberhalb der Magnete 46 an, so dass sie dort eine höhere Konzentration einnehmen als in der übrigen Frischbetonmatrix 42. Dieser Prozess lässt sich noch durch Rütteln der Schalung 40 oder der Frischbetonmatrix 42, das zur Verdichtung von Beton gewöhnlicherweise vorgenommen wird, noch unterstützen. Mit der lokal erhöhten Dichte der Zuschlagsstoffe 22 in den zwei Bereichen 23 wird die Betonmatrix 42 aushärten gelassen. Sobald die elektrischen Zuschlagsstoffe 22 ihre Position und Konzentration gemäß 2b eingenommen haben und die Betonmatrix 42 soweit erhärtet ist, dass sich die Zuschlagstoffe der Matrix 42 nicht mehr umlagern können, wird die Stromversorgung 48 abgeschaltet.
Nach Aushärten der Betonmatrix 42 wird der Sensorabschnitt 12 ausgeschalt, aus der Schalung 40 entnommen und gewendet (vgl. 2c). An seiner jetzigen Bauteiloberfläche 20 konzentrieren sich die elektrisch leitfähigen Zuschlagsstoffe 22 in den zwei Bereichen 23 mit hoher Dichte. Dort kann jetzt jeweils ein Sensorabschnitt 12 gemäß 1 ausgebildet werden, indem elektrische Kontakte in den zwei Bereichen 23 montiert und mit einer Elektronik 14 gemäß 1 verbunden werden.
Im oberflächennahen Bereich 24 gemäß 1 liegen die elektrisch leitfähigen Zuschlagsstoffe 22 in einer ortogonalen Draufsicht auf die Bauteiloberfläche 20 weitgehend homogen vor. Die Bauteiloberfläche 20 gemäß 2c dagegen lässt keine vollflächig gleichmäßig Konduktivität erwarten, sondern zeigt zwei Zonen mit hoher Konduktivität in denjenigen Bereichen 23, nahe denen während der Herstellung die Elektromagnete 46 platziert waren. Die erhöhte Dichte der elektrisch leitfähigen Zuschlagsstoffe 22 lässt sich folglich an der Bauteiloberfläche 20 nicht nur gleichmäßig, sondern auch ungleichmäßig, und zwar sowohl in einer Richtung von der Bauteiloberfläche 20 zur rückseitigen Fläche 16 hin, als auch ungleichmäßig in einer Richtung zwischen den Seitenfläche 18, 19 erzeugen.
Eine bestimmte Anordnung von Permanentmagneten oder Elektromagneten wird unter der Schalung angebracht. Die leitfähigen und magnetischen Partikel des Betons – also die die Leitfähigkeit definierenden Zuschlagstoffe – richten sich während des Betoniervorgangs entlang der magnetischen Feldlinien von selbst aus. In seiner einfachsten Form wird das Magnet-System unter einem bestehenden Schalungssysteme angebracht, quasi ein ´plugunder´, das keine Anpassung des Schalungssystems erfordert. Schalungssysteme mit integriertem Magnetsystem erlauben eine präzisere Kontrolle des Vorgangs.
Die Magnetfelder lassen sich gezielt steuern. In Abhängigkeit von Typ, Form und Stärke des Magneten ändert sich die Ausbreitung des Magnetfeldes. Neodym-Magnet-Systeme bilden höhere und schlankere Felder als Ferromagnete. Die Feldstärken einfacher Elektromagnete liegen in der Regel unterhalb von Permanentmagneten. Jedoch lassen sich Elektromagnete fast in jeder beliebigen Größe herstellen und sind aufgrund der Möglichkeit, sie über die Bauform und den Stromdurchfluss gezielt steuern zu können, berechenbarer als Permanentmagnete. Durch eine gezielte Ausrichtung der Magnetpole kann ein differenziertes Magnetfeld hergestellt werden, sodass sich Magnetfelder und deren Bahnen gezielt weiter- oder umlenken lassen.
Die 3 zeigt eine weitere Herstellungsmöglichkeit eines konduktiven Betons. Die Frischbetonmatrix 42 gemäß 3a setzt sich ebenfalls aus weitgehend herkömmlichen Bestandteilen sowie zusätzlich aus Stahlfasern als elektrisch leitfähigen Zuschlagsstoffen 22 zusammen. Nach einem Mischen zu einer homogenen Betonmatrix 42 wird sie in eine ebenfalls quaderförmige Schalung 40 mit einander gegenüberliegenden Seitenflächen 41 der 3a eingebracht. In einem folgenden Herstellungsschritt werden an den Seitenflächen 41 zwei Elektromagnete 46 angebracht (vgl. 3b). Jetzt wird die Frischbetonmatrix 42 magnetischen Impulsen der Elektromagnete 46 ausgesetzt. Je nach Stärke und Frequenz der magnetischen Impulse können sie die vorher ungerichtet vorliegenden elektrisch leitfähigen Zuschlagsstoffe 22 entweder nur in ihrer Ausrichtung drehen und gleichrichten oder sogar gezielt in der Betonmatrix 42 verlagern und zu Bahnen bzw. Strängen räumlich konzentrieren.
Die Matrix 42 wird anschließend aushärten gelassen, um nach dem Entschalen das Sensorelement 12 gemäß 3c zu erhalten. Es zeigt Bereiche 23 mit hoher elektrischer Leitfähigkeit, die an einander gegenüberliegenden Seitenflächen 18, 19 des Sensorelements 12 liegen, aber abweichend vom Sensorelement 12 gemäß 2c durch einen Abschnitt 25 aus konduktivem Beton untereinander elektrisch leitfähig verbunden sind.
Werden die einander gegenüberliegenden Elektromagnete 46 nahe einer zukünftigen Bauteiloberfläche 20 an der Schalung 40 gemäß 3 angebracht, kann dadurch ebenfalls ein oberflächenaher Bereich 24 mit erhöhter elektrischer Konduktivität im Sensorelement 12 ausgebildet werden. Alternativ können Bereiche hoher Dichte an elektrischen Zuschlagsstoffen 22 im Sensorelement 12 zusätzlich auch jenseits des oberflächennahen Abschnitts 24 ausgebildet werden. Damit kann beispielsweise eine elektrische Kontaktierung durch Kontakte 26, 28 (vgl. 1) erleichtert, nämlich ggf. deren räumliche Erstreckung innerhalb des Sensorelements 12 verkürzt werden.
4 zeigt ein Demonstrationsobjekt für den Einsatz des erfindungsgemäßen elektrischen Bauelements 10 als Bedienelement: ein Quader 50 aus erfindungsgemäß hergestellten und zusammengesetzten Beton weist eine berührsensitive Oberfläche 51. In einem oberflächennahen Bereich unter der Oberfläche 51 liegt eine hohe Dichte an elektrisch leitfähigen Zuschlagsstoffen vor, sodass die Oberfläche 51 des Quaders 50 eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist. An seiner Unterseite weist der Quader 50 eine ebenfalls quaderförmige Aussparung 52 auf. Darin ist ein U-förmiger Träger 54 angebracht, an dem eine Glühbirne 56 und deren Stromversorgung 58 angebracht ist. In einem Stromkreis zur elektrischen Versorgung der Glühbirne 56 ist eine Steuerungseinrichtung 60 eingefügt, die über elektrisch leitfähige Stifte 62 mit dem Betonquader 50 bzw. mit dem oberflächennahen Bereich unter der Oberfläche 51 in elektrisch leitfähigem Kontakt steht. Sobald ein Benutzer die Oberfläche 51 des Quaders 50 berührt, sensiert die Steuerungseinrichtung 60 eine Kapazitätsänderung an der Oberfläche 51 und schaltet die Stromversorgung 58 der Glühbirne 56 ein. Eine weitere Berührung der Oberfläche 51 betätigt die Steuerungseinrichtung 60 erneut, woraufhin sie die Stromversorgung 58 ausschaltet.
5 zeigt eine erste Anwendungsmöglichkeit des Bauelements 10 als Schalter einer Hausinstallation. Der Sensorabschnitt 12 ist erfindungsgemäß Bestandteil einer Betonwand 70, die zwei Räume voneinander trennt. Der Sensorabschnitt 12 ist in einer Position in die Betonwand 70 eingelassen, in der ein Benutzer herkömmliche Lichtschalter vermutet. Durch eine nicht dargestellte Markierung auf der Betonwand 70 ist der Ort des Sensorelements 12 angegeben, sodass der Benutzer in der im Übrigen homogenen Wand 70 das Sensorelement 12 lokalisieren kann. Es ist mit vereinfacht dargestellten Leitern 30 mit einer Steuerungseinrichtung 34 verbunden. Sie schaltet auf Anforderung eine Raumbeleuchtung 74, die über Kabel 75 unter einer Decke 73 mit Haushaltsstrom versorgt wird.
Möchte ein Benutzer die Beleuchtung 74 einschalten, so berührt er die Betonwand 70 innerhalb der Markierung 72 und damit den Sensorabschnitt 12. In der in 1 beschriebenen Weise sensiert die nicht dargestellte Steuerungseinrichtung 34 die Berührung des Sensorabschnitts 12 und schaltet daraufhin den Versorgungsstrom der Beleuchtung 74 ein. In prinzipiell gleicher Weise lässt sich die Beleuchtung 74 wieder ausschalten. Erfindungsgemäß liegt damit am Sensorabschnitt 12, also in demjenigen Bereich, in dem die Stromversorgung der Beleuchtung 74 geschaltet wird, keine Spannung von regelmäßig 220 V des Versorgungsstroms der Beleuchtung 74 selbst an. Stattdessen fließt durch den Leiter 30 ein wesentlich geringerer Steuerstrom, der lediglich eine Kapazitätsänderung am Sensorelement 12 erfasst und an die Steuerungseinrichtung 34 weiterleitet. Damit geht vom erfindungsgemäßen Sensorelement 12 und der zugehörigen Elektrik eine geringere Gefahr aus als von herkömmlichen Schalteranordnungen für eine Beleuchtung.
Die 6 stellt eine alternative Ausgestaltungsform einer Betonwand zu derjenigen in 5 dar. Abweichend gegenüber jener Ausgestaltungsform ist die Betonwand 76 vollständig aus erfindungsgemäß hergestelltem konduktivem Beton ausgebildet. Ihre gesamte Fläche stellt damit einen Sensorabschnitt 12 gemäß 1 dar. Über nicht dargestellte Kontakte und einen Leiter 30 ist sie mit einer Steuerungseinrichtung 34 verbunden, die wiederum den Versorgungsstrom einer Beleuchtung 74 schaltet.
Egal, an welcher Stelle ein Benutzer die Wand 76 berührt, erfasst die Steuerungseinrichtung 34 die Kapazitätsänderung. Daraufhin schaltet sie die Stromversorgung der Beleuchtung 74 ein oder aus. Die Funktion des Lichtschalters ist damit auf der vollständigen Oberfläche der Betonwand 76 aufgebracht, sodass es keines lokal beschränkten Schalters und keiner Markierung eines Sensorelements 12 (vgl. 5) mehr bedarf.
7 zeigt ein Ausführungsbeispiel zum Einsatz des erfindungsgemäßen Sensorelements 12 zum Schalten einer Gebäudeinstallation. Die großflächigen, rechteckigen Sensorelemente 12 sind zu einem Paneel 82 aus vier Reihen und zwei Spalten zusammengesetzt. Das Paneel 82 ist vertikal an der Wand eines Innenraums angebracht und über Leitungen 84 mit einer Steuerelektronik 86 verbunden. Die Steuerelektronik 86 koppelt das Panel 82 an die Rauminstallation aus einer Beleuchtungseinheit 88 und einer Belüftungseinheit 90. Die Steuerelektronik 86 ist dazu ausgebildet und eingerichtet, dass die Sensorelemente 12 in der linken Spalte 83 bei einer Berührung eine Verstärkung einer elektrischen Leistung ausschließen, während eine Berührung der Sensorelemente 12 der rechten Spalte 83 eine Reduzierung bewirkt. Jede Reihe der Sensorelemente 12, also jeweils zwei nebeneinander angeordnete Sensorelemente 12, sind der selben Gebäudeinstallation zugeordnet, nämlich die oberste Reihe der Beleuchtungseinheit 88, die unterliegende zweite Reihe der Belüftungseinheit 90, die darauffolgende, darunterliegende Reihe kann einer Leitung und die unterste Reihe beispielsweise einer Lautsprechereinrichtung zugeordnet sein. Das Paneel 82 stellt also eine flächige, unübersehbare, aber aufgrund seines Materials einfach zu gestaltende Bedienungseinheit für Gebäudeinstallation dar, die entweder separat und aufputz montiert oder in einer Gebäudewand integriert sein kann. Damit lässt sich das Paneel 82 sowohl als Nachrüsteinheit als auch im Zuge einer Erstausrüstung eines Gebäudes einsetzen. Besonders als Nachrüsteinheit kann das Paneel 82 seine Stärken hinsichtlich der geringen Gefahr ausspielen, die von seinen Leitern 84 ausgeht.
Das Paneel 82 ist prädestiniert für eine modulare Bauweise aus mehreren Sensorelementen 12, die entweder jeweils mit einzelnen Schaltfunktionen belegt sein können wie in 7 dargestellt, oder gemeinsam nur eine einzige Schaltfunktion aus zum Beispiel sechs zusammengesetzten Feldern bieten. Zusammengesetzte Felder eigenen sich insbesondere für die Ausbildung von Dimmfunktionen, wonach die linke Spalte 83 z.B. abwärts „gestrichen“ die Beleuchtungseinheit 88 heller, aufwärts „gestrichen“ dagegen dunkler steuert. Die rechte Spalte kann in gleicher Weise bedient werden und eine Klimaanlage wärmer bzw. kälter stellen. Das Paneel 82 lässt sich vorteilhaft als Fertigteilsystem ausbilden, das entweder als vorgehängtes Element wie in 7 vor eine bestehende Wand montiert oder auch als Fertigteil in eine Gebäuekonstruktion integriert wird.
8 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Schalungssystems 100 zur elektromagnetischen Strukturierung von Betonbauteilen. Das Schalungssystem 100 umfasst eine elektromagnetische quadratische Matrix 110, die sich außenseitig an oder innerhalb einer nicht dargestellten Schalung für Betonbauteile montieren lässt. Sie besteht aus 48 × 48 ebenfalls jeweils quadratischen Elektromagneten 112. Jeder Elektromagnet 112 ist über Leiter 113 mit einer zentralen Rechnereinheit (CPU) 114 elektrisch verbunden und lässt sich von dort aus einzeln ansteuern, nämlich ein- bzw. ausschalten. Die eingeschalteten Elektromagneten 112 sind in 8 schwarz und die ausgeschalteten Elektromagnete 112 weiß dargestellt. Die Rechnereinheit 114 steuert die Elektromagneten 112 aufgrund eines vorgegebenen Musters 116 an, das sie in ein 48 × 48 – Raster umsetzt und die dortigen Elektromagneten 82 entsprechend ansteuert. Das Muster 116 kann mit einem bzw. jedem herkömmlichen Grafikprogramm erstellt worden sein und sich wie bei der Programmierung beispielsweise einer CNCgesteuerten Fräse verarbeiten lassen.
Nach Einbringen einer Frischbetonmatrix mit einem Zusatz an elektrisch leitfähigen und magnetischen Zuschlagsstoffen in die Schalung schaltet die Rechnereinheit 114 die schwarz markierten Elektromagneten 112 an, sodass sie ein Magnetfeld aufbauen. Daraufhin stellt sich eine hohe Konzentration elektrisch leitfähiger Zuschlagsstoffe im Bereich der eingeschalteten Elektromagnete 112 an. Damit spiegelt sich das vorgegebene Muster 116 als Dichteverteilung elektrisch leitfähiger Zuschlagsstoffe im Beton im Sinne der 2 wider. Dadurch erhält die Betonwand eine erhöhte Konduktivität an ihrer Oberfläche, die dem Muster 116 entspricht. Haben die elektrisch leitfähigen Zuschlagsstoffe außerdem die Eigenschaft, den Beton zu färben, so zeichnet sich das Muster 116 auf der Betonoberfläche ab und gibt die Bereiche erhöhter elektrischer Konduktivität auch optisch wieder.
Da es sich bei den vorhergehenden, detailliert beschriebenen elektrischen Bauelementen bzw. Sensorelementen um Ausführungsbeispiele handelt, können sie in üblicher Weise vom Fachmann in einem weiten Umfang modifiziert werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Insbesondere können auch die konkreten Ausgestaltungen der Aufbau der Schalung in anderer Form als in der hier beschriebenen folgen. Insbesondere kann das Bauelement in einer anderen Form ausgestaltet werden, wenn dies aus Platzgründen bzw. designerischen Gründen notwendig ist. Gerade Beton bietet hier eine Vielzahl an Gestaltungsmöglichkeiten. Weiterhin schließt die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein“ bzw. „eine“ nicht aus, dass die betreffenden Merkmale auch mehrmals oder mehrfach vorhanden sein können.
Bezugszeichenliste

10: Elektrisches Bauelement
12: Sensorelement
14: Elektronik
16: rückseitige Fläche
18, 19: Seitenfläche
20: Bauteiloberfläche
22: elektrisch leitfähige Zuschlagsstoffe
24: oberflächennaher Bereich
25: leitfähiger Abschnitt
26: Kontakt
28: Kontakt
30: Leiter
32: Stromquelle
34: Störungseinheit
40: Schalung
42: Betonmatrix
44: Unterseite
46: Elektromagnet
48: Stromversorgung
50: Quader
51: Oberfläche
52: Aussparung
54: Träger
56: Glühbirne
58: Stromversorgung
60: Steuerungseinrichtung
62: Kontaktstift
70: Betonwand
72: Beleuchtung
73: Decke
74: Beleuchtung
75: Kabel
76: Leitfähige Betonwand
82: Paneel
83: Spalte
84: Leitungen
86: Steuerelektronik
88: Beleuchtungseinheit
90: Belüftungseinheit
100: Schaltungssystem
110: Elektromagnetische Matrix
112: Elektromagnet
113: Leiter
114: Zentrale Rechnereinheit
116: Muster

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

CN 101602591 B [0002]

Claims

Elektrisches Bauelement (10), das zumindest einen als Sensor ausgebildeten Abschnitt (12) (Sensorabschnitt) aus Beton umfasst, und das elektrisch leitfähige Zuschlagstoffe (22) enthält, die an einem oberflächennahen Bereich (24) mindestens einer Außenfläche (20) des Abschnitts (12) in einer höheren räumlichen Dichte vorliegen als im übrigen Abschnitt (12).
Bauelement nach dem obigen Anspruch, gekennzeichnet durch einen kapazitiv, induktiv oder resistiv wirkenden Sensorabschnitt (12).
Bauelement nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähigen Zuschlagsstoffe (22) in einer Draufsicht auf die Außenfläche (20) des als Sensor ausgebildeten Abschnitts (12) ungleichmäßig verteilt sind.
Bauelement nach einem der obigen Ansprüche, gekennzeichnet durch in den oberflächennahen Bereich (24) des Sensorabschnitts (12) eingebrachte elektrische Schnittstellen (26; 28) zu einem elektrischen Stromkreis (14).
Bauelement nach einem der obigen Ansprüche mit einem manuell zu betätigenden Sensorabschnitt (12), gekennzeichnet durch eine mittels der elektrisch leitenden Zuschlagsstoffe (22) erzeugte optisch wahrnehmbare Markierung an einer Oberfläche des Sensorabschnitts (12).
Bauelement nach einem der obigen Ansprüche zum Erfassen von veränderbaren Bauteilkenngrößen eines Betonbauteils, gekennzeichnet durch einen in einem zu sensierenden Bauteil monolithisch angeordneten Sensor aus elektrisch leitfähigem Beton.
Verfahren zur Herstellung eines näherungs- oder berührungsempfindlichen Betonbauteils mit den folgenden Schritten: a) Zubereiten einer Betonmatrix für Frischbeton, b) Beimischen von elektrisch leitfähigen Zuschlagsstoffen in den Frischbeton, c) Einbringen des Frischbetons in eine Schalung für das herzustellende Bauteil, d) Erhöhen der räumlichen Dichte zumindest eines Teils der elektrisch leitfähigen Zuschlagsstoffe nahe (in einem definierten Bereich anschließend an) einer Bauteiloberfläche(-außenfläche) e) Aushärtenlassen des Betonbauteils.
Verfahren nach dem obigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) zumindest ein Teil von magnetisch beeinflussbaren Zuschlagsstoffen beigemischt wird und in Schritt d) ein Magnetfeld an der Schalung aufgebaut wird.
Verwendung eines elektrisch leitfähigen Betonabschnitts als Schalt- oder Steuerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zum Schalten oder Steuern von elektrischem Strom und/oder zum Erfassen von veränderbaren Bauteilkenngrößen. Verfahren zur Ermittlung der Position eines mobilen Kommunikationsgeräts in einem Gebäude mit elektronischen Bauelementen nach einem der obigen Vorrichtungsansprüche und mit einem Zentralrechner, der je Bauelement Ortsinformationen jedes Bauelements innerhalb des Gebäudes und jeweils einen weiteren Datensatz speichert, in den folgenden Schritten: a) Kontaktaufnahme des Kommunikationsgeräts mit dem Zentralrechner, b) Aufforderung zum Betätigen des elektronischen Bauelements, c) Erfassen einer Betätigung des elektronischen Bauelements, d) Übermitteln des dem betätigten elektronischen Bauelement zugeordneten weiteren Datensatzes an das Kommunikationsgerät.