-
Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur In-Situ-Messung von Feuchtigkeit in Holz- und Steinbauelementen.
-
Hintergrund der Erfindung
-
Bei Bauwerken spielt die Feuchtigkeit eine besondere Rolle für die Qualität und insbesondere die Langzeitstabilität. Baustoffe wie Holz, Beton und Stein nehmen Feuchtigkeit auf. Das kann zu unterschiedlichen Beeinflussungen des Bauwerkes führen. Es können Fremdstoffe, wie z.B. Salze transportiert werden. Feuchte Baustoffe bieten auch Mikroorganismen eine Grundlage für die Existenz und Vermehrung. Das kann auf Dauer zu erheblichen Beeinträchtigungen von Bauwerken führen.
-
Um Feuchtigkeit in Bauwerken festzustellen müssen derzeit verdächtige Stellen geöffnet werden um genau analysiert zu werden. Bekannt sind auch Sensoren, die freies Wasser signalisieren.
-
Das Öffnen ist stets mit erheblichem Arbeitsaufwand verbunden. Wenn sich dann herausstellt, dass die konkrete Stelle. sich doch anderswo befindet, kann viel Arbeit vergebens in die Suche investiert werden.
-
Systeme, die freies Wasser im Bauwerk erkennen, bieten keine Aussagemöglichkeit zum Umfang des Schadens. So können kleine feuchte Stellen relativ schnell wieder austrocknen ohne einen bleibenden Schaden zu verursachen. Der Aufwand für die Suche wäre unter Umständen vergebens. Außerdem ist es schwierig festzustellen welchen Weg das Wasser genommen hat bevor es den Sensor erreicht hat und inwieweit der Baustoff bereits durchfeuchtet ist.
-
Wünschenswert ist ein Verfahren welches mittels sehr kostengünstigen Sensoren möglichst großflächigen Überblick über das Ausmaß der Durchfeuchtung relevanter Bauwerksbestandteile bietet.
-
Die Erfindung
-
Die Erfindung löst die Aufgabe basierend auf der Auswertung der Beeinflussung der Eigenschaften von hochfrequenten magnetischen Feldern und elektromagnetischen Wellen.
-
Grundsätzlich wird die physikalische Eigenschaft von Spulen und Antennen genutzt, dass sie ihre Parameter verändern wenn sich ihr dielektrisches Umfeld verändert. Weiterhin wird die Beeinflussung von Laufzeit und Phasenlage von elektromagnetischen Wellen durch Veränderung des durchströmten Mediums genutzt.
-
Das Wasser ist insbesondere in Holz auf eine spezielle Weise analog der Fasern angeordnet. Daraus ergeben sich unterschiedlich lange Bereiche die untereinander isoliert angeordnet sind. Die dielektrische Beeinflussung von Spulen, Antennen und frei fliegenden Wellen erfolgt demnach auch in Abhängigkeit der Ausrichtung des durchfeuchteten Elementes.
-
Hinzu kommt eine Abhängigkeit von Zusatzstoffen wie z.B. vorhandene Salze. Diese werden u.U. erst durch die Feuchtigkeit in das Material hineingebracht oder in ihm umgelagert.
-
Die beschriebenen Umstände sind zudem abhängig von der Umgebungstemperatur.
-
Die genannten Beeinflussungen führen zu dem Umstand, dass die Messung der Feuchtigkeit schwer kalibrierbar ist und auch bei ähnlicher Anordnung der Messmittel abweichende Ergebnisse liefert.
-
Um die Genauigkeit der Messergebnisse zu erhöhen werden mehrere Parameter messtechnisch erfasst. Das sind z.B. die
- - Verschiebung der Resonanzfrequenz und Bandbreite eines Schwingkreises durch Veränderung des dielektrischen Umfeldes
- - Veränderung der Amplitude durch Veränderung der Signaldämpfung
- - Veränderung von Phase und Laufzeit durch Veränderung des von Wellen durchströmten Mediums
- - Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit der potentiell feuchten Zone des Bauelementes.
-
Alle Messergebnisse werden zusammen mit dem Zeitpunkt, dem Ort bzw. Position der Messung und der Temperatur erfasst. Die Ergebnisse werden unter Auswertung der örtlichen Anordnung der Messstellen, der gemessenen Temperatur und der Zeit von einen intelligenten Algorithmus (z.B. KI) ausgewertet. Durch die Fähigkeit der Lernfähigkeit des Algorithmus wird er in die Lage versetzt normale Veränderungen von schädlichen Veränderungen zu unterscheiden.
-
Im Schadensfall entsteht eine mathematische Information, die Aussagen zum Verlauf der Durchfeuchtung nach Zeit und ortsbezogenem Verlauf zulässt. Die Auswertung erfolgt in einem entsprechend konfigurierten, dem System zugeordneten Computer bzw. Mikroprozessor.
-
Wichtig für die Aussagefähigkeit der Ergebnisse ist die Anzahl der installierten Messstellen. Grundsätzlich lässt sich sagen, dass die Genauigkeit der Aussagen zum ortsbezogenen Verlauf steigt je mehr Messstellen installiert sind und in die Auswertung einbezogen werden können. Die Aussagen zum Durchfeuchtungsgrad sind von jeder einzelnen Messstelle ausreichend für den jeweiligen Ort ihrer Anordnung ermittelbar.
-
Die einzelnen Messstellen sind vorteilhaft folgendermaßen aufgebaut:
- Sie besitzen Messmöglichkeiten über möglichst weit voneinander abweichende Frequenzen. Vorteilhaft ist z.B. die Messung im unteren und gleichzeitig im oberen Megaherzbereich. Vorteilhaft lässt sich dazu die RFID-Technologie einsetzen. Diese Technologie bietet Funkstellen in Form von Transpondern, die sehr preisgünstig herstellbar und weltweit genormt sind. Ein HF-RFID-Transponder besteht im Wesentlichen aus einer Spule und einem Silizium-Chip. Die für die Realisierung eines resonanten Schwingkreises notwendige Kapazität ist im Chip und auch parasitär in der Spule angeordnet. Damit stellt dieses Gebilde eine Anordnung dar, die bei großflächiger Ausführung sehr gut auf dielektrische Veränderungen reagiert. Vorteilhaft werden dieser Anordnung schaltbare Schwingkreiskomponenten, wie z.B. Kapazitäten, Induktivitäten oder Widerstände, hinzu gefügt. Diese werden von einer Logikschaltung oder einem Mikroprozessor automatisch hinzu oder abgeschaltet. So lässt sich die Resonanzfrequenz und die Bandbreite der Anordnung definiert verändern. Bei gleichbleibender Arbeitsfrequenz des Lesegerätes von z.B. 13,56 MHz lassen sich über die künstliche Erzeugung unterschiedlicher definierter Schwingkreiseigenschaften viele Messwerte genieren die von der zu messenden Feuchtigkeit beeinflusst werden. Abhängigkeit der Größe der Spule reicht die Beeinflussung der Anordnung durch Feuchtigkeit einige Zenti- bis Dezimeter in das zu untersuchende Material hinein. Die Logikschaltung bzw. der Mikroprozessor werden aus der Energie des magnetischen Feldes oder elektromagnetischen Wellen mit Strom versorgt.
-
Um einen großen Frequenzunterschied zu erzielen wird an Ort der gleichen Messstelle eine Anordnung angebracht, die im hohen Megaherzbereich resonant ist. Vorteilhaft kommt hier ein UHF-RFID-Transponder zum Einsatz. Dieser arbeitet je nach regionaler Normung im Bereich von 868 MHz oder 920 MHz. Das Antennendesign dieses Transponders wird vorteilhaft so ausgelegt, dass es sehr gut auf dielektrische Veränderungen seines Umfeldes reagiert. Die Antennenleiter werden dazu vorteilhaft großflächig ausgeführt. So lässt sich auch bei diesem Element eine Empfindlichkeit gegenüber Feuchtigkeit über eine Entfernung von einigen Zentimetern erreichen. Vorteilhaft wird die Antenne des Transponders auch resonant zur elektrischen Komponente des Feldes ausgeführt. So lässt sich erreichen, dass die Anordnung mit freifliegenden Wellen arbeitet. Diese Wellen bewegen sich gradlinig durch das zu kontrollierende Material insbesondere dann, wenn die Gegenstelle auf der anderen Seite des Materials angeordnet ist. Das von dem Wellen durchströmte Material beeinflusst die Ausbreitungsgeschwindigkeit, die Phase und die Amplitude der Wellen die es durchströmen. Andere Wellen laufen bei entsprechender Anordnung der Gegenstelle, also der Antenne des RFID-Readers, an dem zu kontrollierenden Materials vorbei. So lassen sich die Unterschiede in Laufzeit, Phase und Amplitude registrieren. Da die Wellen sich gradlinig von ihrem Ursprung entfernen erreichen sie eine große Durchdringung des zu untersuchenden Materials. Die Antenne des Transponders befindet sich auf Grund ihrer festen Installation im Bauwerk an einer festen Stelle. Nur durch die Veränderung der Position der Antenne des RFID-Readers lässt sich bestimmen wie die Welle das Material durchdringen soll. Eine zweite Antenne des Readers wird derart angeordnet, dass die Wellen zwischen ihr und dem Transponder möglichst wenig oder keinen Teil des zu kontrollierenden Materials durchlaufen. Mit ihr werden die Referenzwerte der relevanten Messgrößen generiert. Das Ergebnis ergibt sich aus den jeweiligen Werten, die sich aus der Differenz der entsprechenden Signale der beiden Reader-Antennen ergeben.
-
Eine weitere messwertgebende Komponente ist die direkte galvanische Kopplung des Mikroprozessors mit der potentiell feuchten Zone des Baumaterials mittels elektrisch leitenden Elektroden. Diese sind je nach gewünschtem Messort in das Material auf eine definierte Tiefe eingebracht oder auf der Oberfläche derart befestigt, dass ein zwischen ihnen fließender Wechselstrom die relevante zu beobachtende Zone des (z.B. Holz-) Bauelementes durchfließt. Der Mikroprozessor wertet die Größe des elektrischen Widerstandes bzw. Leitwertes mittels Analog-Digitalwandler aus. Der Messwert wird vor Ort in dem Mikroprozessor gebildet und über die elektrisch resonante Anordnung übertragen.
-
Die mathematische Beurteilung einer potentiellen Schadenssituation erfolgt durch Vergleich der langfristig aufgenommenen Messwerte und deren Verlauf mit den aktuellen Messwerten. Ist die Varianz der Messreihe inklusive der aktuellen Messwerte größer als die Varianz der bisherigen Messreihe ohne Berücksichtigung der aktuellen Messwerte so ist von aktuellen Veränderungen auszugehen. Zur Erhöhung der Aussagefähigkeit kann z.B. der zuvor eingestellte Messzyklus beschleunigt werden. Zeitnah kann dann die Entscheidung über eine Reparaturbedürftigkeit der Situation getroffen werden.
-
Die Verwendung von RFID-Systemen ist hier nur vorgeschlagen weil sich der Preis dieser Massenhaft eingesetzten Systeme heute sehr günstig entwickelt hat. Außerdem sind RFID-Systeme so ausgelegt, dass sie mit Energie aus dem Feld der Leseantenne auskommen. Das macht die Notwendigkeit der Nutzung einer vorzuhaltenden Stromversorgung überflüssig. Einmal im Bauwerk installierte Systeme können unbegrenzt durch die Lebensdauer einer Batterie für die Beobachtung der Feuchtigkeit eingesetzt werden ohne in das Bauwerk eingreifen zu müssen.
-
Eine weitere vorteilhafte Umsetzung des Messprinzips ergibt sich aus dem Einsatz von Funksystemen, die zur Entfernungsbestimmung bzw. Ortung entwickelt wurden. Diese Systeme basieren meist auf der Messung der Signallaufzeit, z.B. mittels sehr breitbandigen, ultrakurzen, in ihrer Frequenz variablen Impulsen, zwischen Sende- und Empfangsantenne. Da die Signallaufzeit signifikant von der Dielektrizitätskonstante des für die Übertragung genutzten Mediums abhängt, sind sie ebenfalls bzw. als zusätzliches System für die Bestimmung des Feuchtigkeitsgehaltes von Holz bzw. Baumaterial geeignet.
-
Vorteilhaft sind die notwendigen Antennen fest in das Bauwerk integriert. So entfallen Messwertveränderungen die durch Abweichungen der Positionen der Antennen entstehen. Dazu werden die Antennen vorteilhaft aus Folien ausgeführt. Der Einsatz von einseitig geschirmten Schlitzantennen ist besonders vorteilhaft, da die Wirkung dieser Antennenform sich gerichtet entfaltet und so Reflektionen maximal systematisch unterbunden werden.
-
Vorteilhaft sind der jeweilige RFID-Transponder sowie die Reader-Antenne mit einem temperaturwertgebenden Element ausgestattet. Dadurch wird der Temperaturwert in unmittelbarer Nähe der jeweiligen Messstelle gebildet und im Messsystem zur Kompensation der Temperaturabhängigkeit eingerechnet.
-
In einer weiteren vorteilhaften Anordnung ist der Transponder derart konfiguriert, dass sich seine Eigenschaften per Befehl mittels Datenübertragung vom Lesegerät zum Transponder ändern lassen. Als Beispiel ist bereits die zu- bzw. Abschaltung von Kapazitäten bzw. Schwingkreiskomponenten beschrieben, bezieht sich jedoch auch auf andere Systemparameter wie z.B. die Messzyklusdauer.
-
Sind die Antennen der RFID-Lesegeräte nicht an festen Positionen in das Bauwerk integriert werden diese zur Durchführung jeder Einzelmessung auf festgelegten Wegen durch das Bauwerk bewegt. Zur Orientierung dient dabei der Abstand zu den verbauten RFID-Transpondern. Dieser wird permanent anhand der Feldstärke mit der vorhandene RFID-Transponder antworten, den Signallaufzeiten zwischen Transponder und Lesegerät und an festen mechanischen oder optischen Orientierungspunkten im bzw. am Bauwerk bestimmt. Die Bewegung erfolgt vorteilhaft automatisch gesteuert mittels Fluggeräten.
-
Bauwerke sind mit metallischen, auch systemfremden, Gegenständen bestückt. Während der Nutzungszeit eines Bauwerkes ändert sich die Position dieser Gegenstände. Da jeder metallische Gegenstand potentiell als Reflektor für elektromagnetische Wellen fungiert sind die Funkempfänger vorteilhaft derart konfiguriert, dass sie die ersten eingehenden Impulse von später eingehenden unterscheiden können. Der implementierte Auswertealgorithmus geht davon aus, dass der jeweils erste Impuls im Gegensatz zu dem stärksten Impuls auf dem direkten Weg, also einmal zur Bildung der Messinformation durch das zu untersuchende Material hindurch und zum zweiten an dem zu untersuchenden Material vorbei zur Bildung der Referenzinformation, übertragen wurde. Impulse bzw. Datenströme, die die Empfangsantenne nur über Wege mit Reflektionen erreichen, verfälschen die Messwerte. Der systemeigene Computer bzw. Mikroprozessor arbeitet mit einem mathematischen Algorithmus und ist derart konfiguriert, dass er diese Werte aus der Ergebnisbildung entfernt.
-
Der zum System gehörige Computer steuert den gesamten Messablauf. Er ist derart konfiguriert, dass die Einzelmessungen Zyklisch wiederholt werden. Die Zeitpunkte der Einzelmessungen sind auf die Nutzungsart des jeweiligen Gebäudes abgestimmt. Sie finden vorteilhaft in kürzeren zeitlichen Abständen statt als schädigende Ereignisse für ihre Entstehung benötigen.
-
Der wesentliche Aufbau der Erfindung besteht nach dem unabhängigen Anspruch 1 und den Unteransprüchen 2 und 3 aus
- 1. mindestens einem elektrisch resonanten Schaltkreis, der mindestens eine induktive und eine kapazitive Komponente umfasst und derart angeordnet ist, dass der potentiell feuchte Bereich des Bauelementes in sein relevantes frequenzbestimmendes Dielektrikum hinein reicht. Die kapazitive und die induktive Komponente können dabei in einem elektrischen Bauelement, wie z.B. einer Antenne, integriert sein, ohne dass sie von einander separiert erkennbar sind. Ein Beispiel hierzu ist die Schlitzantenne.
- 2. Er kann mindestens einen zweiten, vorteilhaft ebenfalls resonanten, elektrischen Schaltkreis enthalten, der magnetisch gekoppelt mit dem ersten kommuniziert.
- 3. Er kann mindestens einen zweiten, vorteilhaft ebenfalls resonanten, elektrischen Schaltkreis enthalten, der über eine elektromagnetische Well mit dem ersten kommuniziert.
-
Die Messwertgewinnung erfolgt im Wesentlichen nach dem in dem unabhängigen Anspruch 4 und den Unteransprüchen 5 bis 8 beschriebenen Verfahren durch
- 1. Die Auswertung der Verschiebung von Resonanzparametern des elektrisch resonanten Schaltkreises, wie z.B. Resonanzfrequenz oder Bandbreite und / oder
- 2. Auswertung der Signallaufzeitveränderung bei der Durchdringung der potentiell feuchten Zone mittels elektromagnetischen Wellen oder magnetischen Feldern oder
- 3. Auswertung der Signalpegelveränderung bei der Durchdringung potentiell feuchten Zone mittels elektromagnetischen Wellen oder magnetischen Feldern gebildet wird.
- 4. Auswertung der Veränderung des elektrischen Widerstandes bzw. der Leitfähigkeit der potentiellen feuchten Zone mittels galvanischer Kopplung über in das Material eingebrachte oder auf der Oberfläche leitend befestigten Elektroden und Fluss eines Wechselstromes zwischen diesen.
-
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen von Bedeutung sein.