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Die Erfindung betrifft einen Feuchtesensor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Aus der
DE 10 2018 006 950 A1 ist ein Feuchtesensor mit einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode bekannt, die unterschiedliche metallische Oberflächenmaterialien aufweisen, so dass sie bei Kontakt mit Feuchtigkeit oder einer Flüssigkeit eine elektrische Spannung erzeugen, die an einer Energiespeichereinrichtung angelegt wird zur Speicherung von elektrischer Energie. Die Energiespeichereinrichtung weist einen elektrischen Kondensator auf, der nach Aufladung eine Spannungserhöhungseinrichtung speist, die die elektrische Spannung so weit erhöht, dass eine Speisespannung für den Betrieb einer Sendereinrichtung zur drahtlosen Übertragung von Informationen, beispielsweise Orts- oder Identifikationsdaten, an eine Auswerteeinrichtung übertragen werden können. Alternativ kann die Spannungserhöhungseinrichtung mit den Elektroden verbunden sein, wobei die Energiespeichereinrichtung der Spannungserhöhungseinrichtung in Signalrichtung nachgeordnet ist. Nachteilig an dem bekannten Feuchtesensor ist, dass die Potentialdifferenz zwischen den beiden Elektroden relativ groß sein muss, um die Energiespeichereinrichtung zu laden. Zudem muss die Energiespeichereinrichtung einen Kondensator mit einer relativ hohen Kapazität aufweisen, um die nötige Betriebsenergie für die Energiespeichereinrichtung bereitzustellen. Darüber hinaus kann der Feuchtesensor nach dem Einbau nicht getestet werden.
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Aus der
WO 2008/ 052 811 A1 ist ein RFID-Transponder bekannt, der als Sendereinheit Feuchteinformationen an eine externe Auswerteeinrichtung überträgt. Eine feuchtigkeitserkennende Elektrode des Feuchtesensors ist nicht Bestandteil des RFID-Transponders, so dass somit eine zusätzliche Antenne erforderlich ist.
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Aus dem veröffentlichten Dokument „NISHIMURA, F [et al.]: Alive Monitoring Sensor System with 2.45-GHz Wireless Power Transfer for Self-powered Wireless Sensor, IEEE, 2021. S. 1-4“, ist eine Überwachungseinrichtung für einen Sensor bekannt, bei dem der Sensor drahtlos über eine einer Energiespeichereinrichtung nachgeordneten zusätzlichen Antenne überprüft wird.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Feuchtesensor derart weiterzubilden, dass auf einfache Weise die Effektivität und insbesondere die Betriebssicherheit erhöht wird.
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Zur Lösung dieser Aufgabe weist die Erfindung die Merkmale des Patentanspruchs 1 auf.
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Nach der Erfindung ist eine Energiespeichereinrichtung in Signalrichtung vor einer Spannungserhöhungseinrichtung angeordnet. Dies bedeutet, dass bei Betrieb des Feuchtesensors in einer Feuchteumgebung derselben (Sensorzustand) zuerst die an den beiden Elektroden anliegende Potentialdifferenz mittels der Spannungserhöhungseinrichtung auf ein Spannungsniveau erhöht wird, so dass die nachgeordnete Energiespeichereinrichtung mit einer erhöhten elektrischen Spannung aufgeladen werden kann. Aufgrund der an der Energiespeichereinrichtung anliegenden erhöhten Spannung kann eine elektrische Speiseenergie für eine nachgeordnete Steuereinrichtung schneller oder unter Nutzung der Energiespeichereinrichtung mit einer geringeren Kapazität erreicht werden. Die Erfindung ermöglicht darüber hinaus, dass die Lokalisierung oder Identifizierung des Feuchtesensors nicht nur in einer Feuchteumgebung (Sensorzustand), sondern auch in einer Nichtfeuchteumgebung (Testzustand) gegeben ist. Hierzu ist eine der Elektroden als eine elektrische Spule (Induktivität) geformt ausgebildet, die zur Bildung eines Resonanzschwingkreises mit einem elektrischen Kondensator verbunden ist. Mittels eines externen Hochfrequenzsignals kann der Resonanzschwingkreis angeregt werden, so dass elektrische Energie bereitgestellt wird zur elektrischen Speisung der Steuereinrichtung. Die Steuereinrichtung erzeugt ein Testsignal zur Lokalisierung des Feuchtesensors oder zum Testen des Feuchtesensors, ohne dass der Feuchtesensor in einer Feuchteumgebung angeordnet sein muss. Somit kann in jedem Zustand des Feuchtesensors, ob in oder ohne feuchte Umgebung, eine Funktionsüberprüfung des Feuchtesensors erfolgen.
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Nach der Erfindung weist die Steuereinrichtung einen Mikrokontroller und eine Sendereinheit auf. Der Mikrokontroller weist in einem Speicher Informationsdaten des Feuchtesensors, beispielsweise eine Kennung desselben, auf. Die Sendereinrichtung kann beispielsweise eine Funkantenne aufweisen, mittels derer das Test- oder Sensorsignal an eine externe Auswerteeinrichtung übermittelt wird.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Spannungserhöhungseinrichtung eine Arbeitspunktregelung auf. Hierdurch erfolgt die Ladung der Energiespeichereinrichtung stets in einer Leistungsanpassung. Vorteilhaft kann hierdurch die Ladezeit verkürzt oder kleinere Elektroden bei gleicher Ladezeit verwendet werden.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist die Spannungserhöhungseinrichtung derart ausgebildet, dass eine Spannungserhöhung an einem Ausgang der Spannungserhöhungseinrichtung auf einen Mindestspannungswert von 3 V vorliegt. An dem Eingang der Energiespeichereinrichtung liegt somit eine relativ hohe Spannung an, so dass für die gleiche Ladeleistung die Kapazität der Energiespeichereinrichtung (Kondensator) kleiner ausgeführt sein kann. Vorteilhaft können hierdurch Kosten gespart werden.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist die Spannungserhöhungseinrichtung derart ausgebildet, dass eine Spannungserhöhung erfolgt bei einer Mindesteingangsspannung von 200 mV, insbesondere 300 mV, vorzugsweise 350 mV. Die Spannungserhöhungseinrichtung ist vorzugsweise als eine Ladungspumpe mit Arbeitspunktregelung ausgebildet. Vorteilhaft brauchen die Elektroden nur eine vergleichsweise geringe Potentialdifferenz liefern. Hierdurch ist ein schnelleres Ansprechen des Feuchtesensors bzw. ein größerer Messbereich gewährleistet.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist der Resonanzschwingkreis mit einer Aufladungseinrichtung verbunden zur Bereitstellung der elektrischen Eingangsspannung für die Spannungserhöhungsschaltung aus einem Resonanzsignal des Resonanzkreises. Vorzugsweise weist die Aufladungseinrichtung einen Ladekondensator auf, der nach und nach so weit aufgeladen wird, dass er die elektrische Speisespannung für die Spannungserhöhungseinrichtung bereitstellt. Die Aufladungseinrichtung ist zwischen dem Resonanzkreis und der Spannungserhöhungseinrichtung angeordnet. Zum Absenden des Testsignals können die vorhandenen Komponenten des Feuchtesensors im Sensorzustand, nämlich die Spannungserhöhungseinrichtung, die Energiespeichereinrichtung und die Steuereinrichtung genutzt werden.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist die als Spule ausgeführte Elektrode spiralförmig ausgebildet und auf einem flächigen Träger angeordnet. Die spiralförmige Spule umgibt bzw. rahmt die andere Elektrode ein, die ebenfalls auf dem Träger flächig angeordnet ist. Vorteilhaft dient die spiralförmige Elektrode als eine RFID-Antenne, die so auf das vorzugsweise hochfrequente elektromagnetische externe Wechselfeld abgestimmt ist, dass zusammen mit dem Kondensator des Resonanzschwingkreises das Resonanzsignal erzeugt wird, wobei die Resonanzfrequenz allein abhängig ist von der Induktivität der Spule und der Kapazität des Kondensators. Die Spule des Resonanzschwingkreises dient zum einen zur Speisung des Resonanzschwingkreises mit elektrischer Energie und zum anderen als Teil des Resonanzschwingkreises zum Bereitstellen des Resonanzsignals.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
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Die Zeichnungen zeigen:
- 1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Feuchtesensor und
- 2 eine Draufsicht auf eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode des Feuchtesensors.
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Ein Feuchtesensor 1 kann zur Detektion von Feuchtigkeit eingesetzt werden. Hierzu muss sich der Feuchtesensor in einem feuchten Medium befinden. Er ist dann in einem Sensorzustand. Befindet sich der Feuchtesensor 1 in einem trocknen Medium, ist er in einem Nichtsensorzustand bzw. Testzustand, wie später noch erläutert wird.
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Der Feuchtesensor 1 weist eine erste Elektrode 2 mit einem ersten Oberflächenmaterial 3 und eine zweite Elektrode 4 mit einem zweiten Oberflächenmaterial 5 auf. Das erste Oberflächenmaterial 3 und das zweite Oberflächenmaterial 5 bestehen aus unterschiedlichen Materialien, vorzugsweise unterschiedlichen Metallmaterialien. Beispielsweise kann das erste Oberflächenmaterial 3 aus einem Gold- oder Kupfer- oder Nickelmaterial bestehen. Beispielsweise kann das zweite Oberflächenmaterial 5 aus einem Zinkmaterial bestehen. Befindet sich der Feuchtesensor 1 in einem Sensorzustand, d. h. die erste Elektrode 2 und die zweite Elektrode 4 befinden sich in einem feuchten Medium 6, beispielsweise einer Flüssigkeit, kann an Anschlüssen der ersten Elektrode 2 und der zweiten Elektrode 4 eine elektrische Abgreifspannung abgegriffen werden, die als eine elektrische Eingangsspannung U1 dient für eine Spannungserhöhungseinrichtung 7.
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Die Spannungserhöhungseinrichtung 7 ist vorzugsweise als eine Ladungspumpe ausgebildet, die nach Art eines Gleichspannungswandlers aus der Abgreifspannung U1 (Eingangsspannung) ausgangsseitig eine Erhöhungsspannung U2 (Ausgangsspannung) bereitstellt. Die Ladungspumpe 7 kann vorzugsweise mehrere Kondensatoren und Dioden aufweisen.
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Der Spannungserhöhungseinrichtung 7 ist in Signalrichtung S eine Energiespeichereinrichtung 8 nachgeordnet. Das Ausgangssignal U2 der Spannungserhöhungseinrichtung 7 bildet ein Eingangssignal der Energiespeichereinrichtung 8. Die Energiespeichereinrichtung 8 dient zum Laden von elektrischer Energie, die dazu ausreicht, eine in Signalrichtung S nachgeordnete Steuereinrichtung 9 zu speisen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst die Energiespeichereinrichtung 8 einen Kondensator, der auf eine Speisespannung USP aufgeladen wird. Die Speisespannung USP kann beispielsweise einen Mindest-Spannungswert von 3 V betragen.
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Vorzugsweise weist die Ladungspumpe 7 eine Arbeitspunktregelung auf, so dass sich die Spannungserhöhungseinrichtung 7 zur Ladung der Energiespeichereinrichtung 8 stets in einer Leistungsanpassung befindet. Hierdurch kann die Ladezeit des Kondensators der Energiespeichereinrichtung 8 verkleinert bzw. die Ladezeit verringert werden.
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Die Spannungserhöhung der Spannungserhöhungseinrichtung 7 ist so groß, dass zur Bereitstellung der Erhöhungsspannung U2 am Ausgang von ca. 3 V die Abgreifspannung U1 und somit die Eingangsspannung U1 der Spannungserhöhungseinrichtung 7 einen Mindestspannungswert von 100 mV, insbesondere 200 mV oder 300 mV, vorzugsweise mindestens 350 mV, betragen kann. Vorteilhaft brauchen die erste Elektrode 2 und/oder die zweite Elektrode 4 jeweils nur ein betragsmäßig kleines Potential im Sensorzustand aufweisen.
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Die Steuereinrichtung 9 weist einen Mikrokontroller 10 sowie eine Sendeeinheit 11 auf, mittels derer im Sensorzustand des Feuchtesensors 1 ein Sensorsignal 12 drahtlos an eine externe Auswerteeinrichtung 13 übertragen werden kann. Zu diesem Zweck weist die Auswerteeinrichtung 13 eine Empfangseinheit 14 auf. Als Sensorsignal 12 wird beispielsweise die Kennung des Feuchtesensors 1 übertragen. In der Auswerteeinrichtung 13 sind Mittel zur Identifikation des Feuchtesensors 1 aus dem Sensorsignal 12 vorhanden, so dass der Feuchtesensor 1 als feuchtigkeitsdetektierender Feuchtesensor 1 identifiziert werden kann. Beispielsweise kann der Feuchtesensor 1 als ein Lecksensor dienen zur Erkennung eines Lecks, beispielsweise einer Rohrleitung. Eine Feuchtedetektion erfolgt, wenn an den beiden Elektroden 2 und 4 ein Mindestspannungswert von 200 mV anliegt und ein Strom von beispielsweise 100 µA fließt, was zur Ansteuerung der Spannungserhöhungseinrichtung 7 ausreicht. Die Spannungserhöhungseinrichtung 7 kann beispielsweise einen 200 µF-Kondensator der Energiespeichereinrichtung 8 aufladen in einer Zeit zwischen einer und fünf Minuten, so dass dann der Mikrokontroller 10 der Steuereinrichtung 9 gestartet werden kann zum Erzeugen des die Kennung des Feuchtesensors 1 enthaltenen Sensorsignals 12.
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Die Übertragung des Sensorsignals 12 erfolgt drahtlos per Funk von der Sendereinheit 11 zu einer Empfangseinheit 14 der externen Auswerteeinrichtung 13.
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Damit eine Lokalisierung des Feuchtesensors 1 oder ein Testen desselben in einem Nichtfeuchtezustand bzw. Testzustand des Feuchtesensors 1 erfolgen kann, ist eine der Elektroden, hier im Ausführungsbeispiel die erste Elektrode 2, als eine Spule ausgebildet. Zur Spule 2 ist ein Kondensator 15 parallel angeschlossen, so dass die Spule 2 und der Kondensator 15 einen Parallelresonanzschwingkreis 16 bilden.
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Wie aus 2 zu ersehen ist, ist die erste Elektrode 2 spiralförmig ausgebildet, wobei sie flächig auf einem Träger 17 angeordnet ist. Im Zentrum bzw. im Inneren der Spule 2 ist die zweite Elektrode 4 flächig auf demselben Träger 17, der als Elektrodenträger ausgebildet ist, angeordnet. Die zweite Elektrode 2 kann rechteckförmig - wie in 2 dargestellt - oder ovalförmig oder kreisrund ausgebildet sein.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist die erste Elektrode 2 ein erstes Oberflächenmaterial 3 aus einem Goldmaterial auf. Die zweite Elektrode 4 weist als zweites Oberflächenmaterial 5 ein Zinkmaterial auf.
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Der Elektrodenträger 17 kann aus einem starren oder flexiblen Kunststoffmaterial bestehen.
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Die spiralförmige Spulenelektrode 2 umgibt somit die zweite Elektrode 4, wobei sich beide Elektroden 2, 4 in einer gemeinsamen Ebene erstrecken.
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Der Resonanzschwingkreis 16 ist mit einer Aufladungseinrichtung 18 verbunden zur Bereitstellung der Eingangsspannung U1 der Spannungserhöhungseinrichtung 7. Ausgangsklemmen der Aufladungseinrichtung 18 bilden Eingangsklemmen der Spannungserhöhungseinrichtung 7. Im Testzustand bzw. im Nichtfeuchtezustand des Feuchtesensors 1 ist das Potential an der ersten Elektrode 2 und der zweiten Elektrode 4 Null, so dass der Anschluss der zweiten Elektrode 4 (Zinkelektrode) an der Minuseingangsklemme der Spannungserhöhungseinrichtung 7 keinen Einfluss auf die Eingangsspannung U1 hat. Die Eingangsspannung U1 der Spannungserhöhungseinrichtung 7 wird allein durch das Anregen des Resonanzschwingkreises 16 bewirkt. Zu diesem Zweck dient die Elektrodenspule 2 als eine RFID-Antenne, die durch ein externes Hochfrequenzsignal 19 einer Hochfrequenzquelle 20 gespeist wird. Die Hochfrequenzquelle 20 ist derart ausgebildet, dass als Hochfrequenzsignal 19 ein hochfrequentes elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt wird, dem die Elektrodenspule 2 ausgesetzt ist.
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Der Resonanzschwingkreis 16 ist mit einer Aufladungseinrichtung 18 verbunden zur Bereitstellung der Eingangsspannung U1 der Spannungserhöhungseinrichtung 7. Die Aufladungseinrichtung 18 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Diode 21, einen Widerstand 22 sowie einen Ladekondensator 23, der an die Eingangsklemmen der Spannungserhöhungseinrichtung 7 angeschlossen ist.
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Das an dem Kondensator 15 des Resonanzschwingkreises 16 anliegende Resonanzsignal (Spannungssignal UR) wird mittels der Aufladungseinrichtung 18 auf 200 mV aufgeladen, die als Eingangsspannung U1 für die Spannungserhöhungsschaltung 7 zur Verfügung steht.
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Wenn der Kondensator 15 des Resonanzschwingkreises 16 beispielsweise eine Kapazität von 100 nF aufweist, weist der Ladekondensator 23 eine Kapazität von 50 µF auf. Der Widerstand 22 kann ein Wert von 10 kΩ aufweisen. Die Diode 21 ist derart zwischen einem Anschluss des Ladekondensators 23 und des Kondensators 15 geschaltet, dass der Ladekondensator 23 in einer Richtung aufgeladen wird, beispielsweise auf 200 mV. Die hierdurch gebildete Eingangsspannung U1 am Eingang der Spannungserhöhungseinrichtung 7 reicht dazu aus, die Spannungserhöhungseinrichtung 7 zu aktivieren, so dass nach nachfolgendem Aufladen der Energiespeichereinrichtung 8 der Mikrokontroller 10 der Steuereinrichtung 9 aktiviert werden kann, um die Kennung des Feuchtesensors 1 als Testsignal 24 über die Funkschnittstelle von der Sendeinheit 11 der Steuereinrichtung 9 zu der Empfangseinheit 14 der Auswerteeinrichtung 13 zu übertragen. Somit kann auch im Nichtfeuchtezustand bzw. Testzustand des Feuchtesensors 1 eine Lokalisierung bzw. Test des Feuchtesensors 1 erfolgen.
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Die Elektrodenspule 2 kann eine Windungszahl im Bereich zwischen zwei und 50 Windungen aufweisen. Wenn die Elektrodenspule 2 beispielsweise 10 Windungen aufweist, beträgt die Resonanzfrequenz im vorliegenden Ausführungsbeispiel 200 kHz. Dies ist abhängig von der gewünschten Resonanzfrequenz. Das von der Sendereinheit 11 abgesandte Sensorsignal 12 und Testsignal 24 kann in einem MHz-Bereich, beispielsweise im Bereich von 868 MHz, liegen.
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Der Feuchtesensor 1 ist in dem Sensorzustand, wenn sich die Elektroden 2, 4 in einer Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, befinden. Er befindet sich auch in dem Sensorzustand, wenn die beiden Elektroden 2, 4 in Kontakt stehen mit einem feuchtebindenden Medium, wie beispielsweise einem feuchtesensitiven Vlies (Vlies mit LiCI-Beschichtung oder anderer hygroskopischer Beschichtung).
