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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der
Feuchte eines Mediums, insbesondere eines Bodens, wobei die Feuchte
mittels einer Sensorvorrichtung gemessen wird, die, insbesondere
eine Hülse,
mit dem Medium in Kontakt steht, und wobei die von der Sensorvorrichtung
ermittelte Daten mittels eines von der Sensorvorrichtung getrennten
Auslesegerätes,
das zumindest zeitweise mit der Sensorvorrichtung zusammenwirkt,
abgefragt werden. Die Erfindung betrifft gleichfalls ein System zur
Durchführung
des Verfahrens.
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Generell
sind verschiedene Anwendungsgebiete für Feuchtemessungen bekannt.
Dabei sind als besonders wichtiges Anwendungsgebiet die Bodenmessungen
zu nennen, die in der Landwirtschaft und in der Bauwirtschaft eine
große
Bedeutung haben. Beispielsweise werden anhand der Messdaten in der Landwirtschaft
Pläne erstellt,
nach denen trockene Böden
bewässert
werden, während
beim Neubau oder bei der Renovierung von Gebäuden das Ausmaß der Trocknung
frisch verlegter Bodenbeläge, insbesondere
Estrichbeläge,
sichergestellt werden muss, bevor ein weiterer Belag aufgebracht
wird. So ist die Materialfeuchtemessung nicht nur bei der Erstellung
von Bauwerken und Gebäuden
sondern auch bei der Bausubstanzanalyse von zentraler Bedeutung.
Sie dient zur Qualitätssicherung
im Bauwesen.
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Insbesondere
dürfen
auf Ausgleichsmassen und Estriche, die allgemein auf der Basis von
hydraulischen Bindern beruhen und entsprechend als wässrige Suspension
in das Bauwerk eingebracht werden, erst nach einer ausreichenden
Trocknung die entsprechenden Bodenbeläge aufgebracht werden. Gerade
wenn der anschließende
Bodenaufbau eine Diffusionsbarriere gegenüber Wasserdampf darstellt, muss
der Unterbau ausreichend getrocknet sein. Die ausreichende Trocknung
ist in der Regel dann erreicht, wenn sich je nach Dicke des Belages,
der Temperatur und den Lüftungsverhältnissen
nach vier bis sechs Wochen an der Baustelle ein von der Materialzusammensetzung
abhängiges
Gleichgewicht einstellt. Nachfolgend werden im Stand der Technik bekannte
Verfahren zur Feuchtemessung vorgestellt:
Wie dargestellt,
ist die Erfindung auf ein System gerichtet, das einen Sensor und
ein Auslesegerät
für eine
elektrische Messung nutzt. Als elektrische Verfahren sind beispielsweise
das Widerstandsmessverfahren und das kapazitive Verfahren bekannt.
Dabei wird der Widerstand, respektive die elektrische Leitfähigkeit
eines Materials in Abhängigkeit
der Feuchte gemessen. Entsprechende Messgeräte, bei denen der umgerechnete
Feuchtewert direkt abgelesen werden kann, werden den Kennwerten
des Baustoffs angepasst. Die Messung ist zerstörungsfrei, da keine Probe aus
der Bodenmasse entnommen werden braucht. Fehlerquellen können jedoch
darin bestehen, dass mit zunehmendem Feuchtegehalt auch mehr ionische
Bestandteile des Baustoffs gelöst
werden und sich die Gesamtleitfähigkeit
erhöht.
Darüber hinaus
können
elektrisch leitende Stoffe, z.B. eingearbeitetes Metall oder Leitungen,
Störquellen
darstellen.
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Auch
wenn die elektrischen Verfahren relativ einfach handhabbar sind,
werden sie dennoch bislang verhältnismäßig selten
eingesetzt. Auch sind die mobilen Systeme immer im Besitz eines
einzelnen Nutzers, der mitunter wenig Interesse daran hat, sie anderen
zu überlassen.
So könnte
zwar der Estrichleger mit seinem Gerät den Trocknungsgrad feststellen,
dem Parkettleger gibt er darüber
aber nur zögerlich
Informationen weiter. Die genannten Fehlerquellen können auch
nur durch wiederholte Messungen an verschiedenen Orten beseitigt
werden, die eine Tendenz im Trocknungsprozess aufzeigen.
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Aus
der
DE 100 11 636
A1 ist eine Vorrichtung zur Feuchtemessung bekannt, bei
der zwei Elektroden in den zur Feuchtemessung bestimmten Boden eingebracht
werden. Die beiden Elektroden, zwischen denen die feuchteabhängige Impedanz
des zu Bodens gemessen wird, sind an einen Oberflächenwellen-Transponder
angeschlossen, der seinerseits via Funk mit einem Abfragegerät verbunden
ist. Durch diese passive Abfragemöglichkeit benötigt der Transponder
keine eigene Stromversorgung. Auch mit diesem Gerät durchgeführte Messungen
sind nur bedingt für
Aussagen über
das aktuelle Stadium der Trocknung brauchbar, da die Absolutmessungen
mit den genannten Fehlern behaftet sind. Für ein aktuelles Bild sind wiederholte
Messungen nötig.
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Die
genannten Probleme spielen keine Rolle bei den beiden nachfolgenden
Methoden: Zunächst sei
die Calciumcarbid-Methode (CM) genannt, bei der eine genau abgewogene,
zerkleinerte Menge des zu untersuchenden Baustoffes in einen Druckbehälter eingebracht
und mit einer definierten Menge Calciumcarbid gemischt wird. Dabei
kommt es zu einer chemischen Reaktion, bei der im Maße des enthaltenen
Wassers Acetylen gebildet wird. Der Druck im Behälter steht dann in Relation
zur Volumenfeuchte des Baustoffes. Das Verfahren ist relativ genau,
wobei es jedoch einiger Erfahrung bedarf, die Proben richtig zu
nehmen und aufzubereiten. Es können
alle Stoffe gemessen werden, bei denen technisch eine einzelne Probenahme
sinnvoll erscheint. Da die CM-Methode nicht zerstörungsfrei
ist, entstehen kleine Schäden
an der Bausubstanz, die behoben werden müssen. Eine Einzelmessung ist
verhältnismäßig teuer
und dauert etwa 0,5 bis 1 Stunde. Wegen der Genauigkeit ist das
CM-Verfahren weit verbreitet, wobei die Handhabung wegen der vielen
Einzelschritten im Rahmen der Analyse nicht sonderlich anwenderfreundlich
und die Probenahme schwierig ist.
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Ein
weiteres Verfahren ist die sogenannte Darr-Methode (Gravimetrische-Methode), bei der
die zu untersuchende Baustoffprobe eingangs gewogen und in einem
Trockenofen bei über
100°C getrocknet wird.
Im Trockenofen entweicht das freie Wasser. Am Ende kann nach einem
erneutem Wiegen der Wassergehalt nach Gewicht festgestellt und in
Verhältnisse
umgesetzt werden. Um möglichst
genaue Werte zu erhalten, müssen
jedoch die klimatischen Verhältnisse
berücksichtigt
werden. Das Verfahren ist relativ einfach und es können an
unterschiedlichen Stellen gezielt Proben genommen werden. Die Zuverlässigkeit
der Methode ist allerdings an die Person gebunden, die die Probe
nimmt. Der Zeitbedarf für
eine Analyse liegt ebenfalls im Rahmen einiger Stunden. Wie bei
der CM ist das Darr-Verfahren auch nicht zerstörungsfrei. Außerdem ist
in aller Regel die aktuelle Bestimmung des Feuchtegehalts vor Ort
nicht möglich,
da die eingesetzten Messgeräte
meist nur in Analysenlabors vorhanden sind. Die Darr-Methode setzt zudem
die genaue Kenntnis der Materialzusammensetzung voraus, da die Trocknungstemperatur entsprechend
anzupassen ist.
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Keine
der beiden letztgenannten Methoden ist zur schnellen und aktuellen
Bestimmung der Feuchte eines Bodens vor Ort auf der Baustelle geeignet.
Die Messungen bedürfen
eines mehrfachen Erscheinens entsprechender Fachleute vor Ort.
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Aufgabe
der Erfindung ist es nunmehr, ein elektrisches Verfahren zur Messung
der Feuchte zu schaffen, das sich mit einfachen und kostengünstigen
Mitteln umsetzen lässt
und das dem Anwender bei einem hohen Bedienungskomfort sichere und
zuverlässige
Messwerte liefert, die ihm einen Eindruck vom aktuellen Trocknungsgrad
des Mediums verschaffen und darüber
hinaus das zeitliche Trocknungsverhalten belegen. Es ist gleichfalls
die Aufgabe, ein System zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen.
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Diese
Aufgaben werden durch das Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen
des Anspruch 1 und das System mit den kennzeichnenden Merkmalen
des Anspruch 7 gelöst.
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Der
Grundgedanke der Erfindung liegt darin, sich einer elektrischen
Messung zu bedienen und die Messwerte innerhalb der mit dem Medium
in Kontakt stehenden Sensorvorrichtung für eine Weiterverarbeitung innerhalb
der Sensorvorrichtung oder für eine
spätere
unmittelbare Auslese der Werte zu registrieren. Die Sensorvorrichtung,
die dem Medium, insbesondere dem jeweiligen Boden, zugeordnet ist, erhält so die
Funktion einer Kennkarte („Estrich-Pass"), die jederzeit
vom Nutzer auslesbar ist. Jeder der Handwerker kann sich aktuell über die
Historie des Bodens informieren. Erfindungsgemäß wird zunächst mittels der Sensorvorrichtung
eine zeitliche Abfolge, also eine Messreihe, von Feuchtewerten gemessen.
Dann werden Daten, die mit der Messreihe und/oder dem Medium in
Korrelation stehen, in einer Registriervorrichtung, die der Sensorvorrichtung
zugeordnet ist, gespeichert. Diese Daten können die mehr oder weniger
kompletten „rohen" Messdaten und/oder
daraus errechnete Parameter sein, wobei die Berechnung der Parameter
insbesondere von einem in der Sensorvorrichtung befindlichen Mikrocomputer
vorgenommen wird. Die gespeicherten Daten werden zumindest zeitweise,
insbesondere nach Bedarf, an das Auslesegerät übertragen. Damit wurde ein
Verfahren entwickelt, das kontinuierlich den Feuchtegehalt einer
Bodenmasse messen, speichern und damit korrelierende Daten an das
entsprechende Auslesegerät übertragen
kann.
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Wenn
also ein Unternehmer im Rahmen seiner Bautechniksparte Massen für den Bodenausgleich
und Estriche herstellt, die im Handel an professionelle Bodenleger
und Heimwerker verkauft werden, wird durch die Erfindung beiden
Gruppen von Nutzern eine zuverlässige
und schnelle Messmethode zur Seite gestellt. Ein wesentlicher Vorteil
der Erfindung liegt dabei in der Dokumentation der Daten, die in
elektronischer Form gespeichert werden und die jedermann, der im
Besitz eines Auslesegerätes ist,
jederzeit zugänglich
sind. Ein Blick auf sein Auslesegerät informiert den Nutzer über die
Historie und den Zustand des Bodens.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
wird die Sensorvorrichtung, die einen einfachen kommerziell erhältlichen
elektronischen Sensor enthalten kann, in das Medium, also insbesondere
in den Bodenbelag, eingelassen und verbleibt dort zumindest für einen
gewissen relevanten Zeitraum. Es sind derartige Sensoren erhältlich,
die neben der Feuchte auch die Temperatur messen, so dass eine unmittelbare
Bestimmung der relativen Feuchte möglich ist. Ein solcher Sensor
kann als kleines elektronisches Bauteil herausnehmbar in ein als
Bodenanker dienendes Gehäuse
eingebracht sein, das in die noch feuchte und verformbare Bodenausgleichsmasse eingelassen
wird, wobei die Wand des Gehäuses
für Feuchte
permeable Wände
hat. Das Gehäuse
ist vorzugsweise aus Kunststoff gefertigt und weist Schlitze auf,
durch welche die Feuchte zum Messsystem diffundieren kann. Um bei
noch sehr feuchten Bodenmassen das Eindringen von Wasser in das
Gehäuse zu
verhindern, kann dieses auf der Innenseite mit einer dampfdurchlässigen Membran
ausgestattet sein. Das Messsystem wird dann in das Gehäuse eingeführt, während die
Messungen unmittelbar oder zeitverzögert gestartet werden können.
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Da
die Sensorvorrichtung die Messreihen speichert, ist es denkbar,
sie nach einer gewissen Zeitspanne oder aktuell bei Bedarf vom Boden
zu entfernen und einem zentralen Auslesegerät zuzuführen. Das Auslesegerät entnimmt
dem Speicher die Daten und stellt sie für den Nutzer dar, respektive führt sie
einer weiteren Bearbeitung zu. Vorteilhafterweise wird jedoch nicht
die Sensorvorrichtung dem Auslesegerät sondern ein mobiles Auslesegerät der Sensorvorrichtung
zugeführt.
Beide Geräte
werden dann über
eine Datenleitung miteinander verbunden und können über diese kommunizieren. Da
die Datenleitung nur zeitweilig benötigt wird, sollte sie reversibel
trennbar ausgeführt
sein. Dabei ist es zur Vereinfachung der Handhabung vorteilhaft,
die Datenleitung nicht über
Kabel sondern über
eine drahtlose Funkverbindung zu realisieren. Diese sollte so konzipiert
sein, dass sie eine hohe Toleranz gegenüber Fremdsignalen hat, die
auf jeder Baustelle von elektrischen Großgeräten ausgesendet werden. Eine
solche Unempfindlichkeit gegenüber
Störungen
ist gegeben, wenn die Funkverbindung auf einer Frequenz im Infrarotbereich
sendet und empfängt.
Die Vorteile der Kommunikation im Infraroten liegen darin, dass der
Sender und der Empfänger
nicht weiter als Sichtweite auseinander liegen dürfen, um eine reibungslose
Kommunikation zu gewährleisten.
Es handelt sich somit um eine Nahfunkverbindung, die nur von Infrarotquellen
im Nahbereich gestört
werden kann. Auch die Kommunikation vermittels Ultraschall kann
bei bestimmten Anwendungen vorteilhaft sein.
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Die
IR-Schnittstelle bietet folgende Vorteile. Zum einen muss kein Frequenzband
definiert sein, was in manchen Bereichen, z.B. in Kliniken, ungeeignet
wäre. Darüber wäre die Beantragung
von ausgewählten
Frequenzbändern
mit zusätzlichen
Kosten verbunden. Zum anderen bietet die IR-Technologie die einfache
Möglichkeit,
jedem Messsystem eine Identität
und damit eine eindeutige Identifikation zuzuordnen. Das wäre beim
Einsatz einer Funkübertragung
nur durch unterschiedliche Frequenzbereiche für verschiedene Messsystem erreichbar.
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Im
Falle der IR-Funkverbindung führt
der Nutzer sein Endgerät
nahe an den Sensor und kann dann die Datenübertragung einleiten. Für die Datenübertragung
könnten
die Schnittstellen über
den „Blue
Tooth" Standard
kommunizieren, so dass schon bekannte Endgeräte, wie PDAs, Laptops oder sogar
Mobiltelephone, für
die Darstellung oder Weiterverarbeitung der Daten eingesetzt werden
können.
Dabei kann die Weiterverarbeitung der Daten auch nach einer Versendung
vom Auslesegerät
via einem Kommunikationsnetz, beispielsweise dem Internet, zu einem
zentralen Rechner geschehen.
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Um
den Nutzer unmittelbar von den Messwerten oder den daraus errechneten
Parametern in Kenntnis zu setzen, ist es vorteilhaft, wenn das Auslesegerät ein Ausgabemittel,
wie ein Display und/oder einen Lautsprecher, zur Darbietung der
abgefragten Daten aufweist. So kann der Nutzer sich unmittelbar
vor Ort ein Bild von der Situation machen. Zudem ist es vorteilhaft,
wenn die Sensorvorrichtung neben dem notwendigen Feuchtesensor auch
einen Temperatursensor aufweist, um die Berechnung der relativen
Feuchte zu ermöglichen.
Dabei kann die Berechnung innerhalb der Sensorvorrichtung mittels des
ehedem vorhanden Mikroprozessors geschehen. Die Werte für die relative
Feuchte können
dann unmittelbar auf das Auslesegerät übertragen werden. Es können jedoch
auch Messreihen beider Werte an das Auslesegerät gesendet werden, die dann
extern weiterverarbeitet werden. Das Auslesegerät kann dabei als Endgerät ausgebildet
sein, das alle Funktionen der Auswertung und Darbietung in sich
vereinigt. Das Auslesegerät
kann aber auch als Vermittler zu einem externen Rechner dienen,
an den es die ausgelesenen Daten übermittelt.
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Insgesamt
ist es vorteilhaft, wenn die für
die Sensorvorrichtung notwendigen Komponenten zusammen mit einer
Stromversorgung auf einem gemeinsamen Chip zusammengefasst sind.
Dieser sollte so ausgelegt sein, dass 32.000 Werte „on-chip" gespeichert werden
können.
Jedem solchem Messsystem sollte eine eindeutige Identifikationsnummer
zugeordnet werden, so dass die mehrfache Einbringungen der Systeme
an unterschiedlichen Stellen der Bodenkonstruktion keine Verwechslungsgefahr
mit sich bringt. Die erhaltenen Messdaten können dem Nutzer graphisch angezeigt
werden. Hat die relative Bodenfeuchte einen geforderten Grenzwert
unterschritten, kann mit dem Aufbringen weiterer Gewerke begonnen
werden.
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Ein
wesentlicher Vorteil des Systems liegt in seiner Tauglichkeit, auf
Baustellen eingesetzt werden zu können. Die Baustellentauglichkeit
resultiert aus den geringen Dimension der Sensorvorrichtung, der einfachen
Handhabbarkeit und der einfachen Beurteilung der Messergebnisse
vor Ort. Außerdem
kann das System mit einer Batterie betrieben werden und ist damit
unabhängig
von einem elektrischen Netzanschluss. Zudem ist ein energiesparende
Stand-By Betrieb sinnvoll. Die Übertragung
der Daten kann dann durch ein vom Nutzer ausgelöstes Signal initiiert werden,
das vom Auslesegerät
an die Sensorvorrichtung gesendet wird. Die sich im Stand-By Modus befindende
Sensorvorrichtung wird dann durch das Signal veranlasst, in einen
Betriebsmodus umzuschalten, in dem die Datenübertragung möglich ist. Beim
Einsatz der Funkverbindung kann auf jegliche Kabelverbindung zur
Kommunikation verzichtet werden. Das System zeichnet sich insofern
durch seine Schnelligkeit aus, als Messergebnisse unmittelbar angezeigt
werden können.
Außerdem
ist das System zerstörungsarm,
da lediglich ein einmaliger kleiner Eingriff in die Bausubstanz
notwendig ist, der später auch
wieder problemlos ausgebessert werden kann.
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Als
weitere Vorteile sind zu nennen, dass die Sensorvorrichtung in ein
Gehäuse
passt, das kleiner als eine Streichholzschachtel ist. Zudem deckt
das System einen großen
Messwertebereich mit hoher Genauigkeit ab. So kann die relative
Feuchte zwischen 2% und 99% mit einem Fehler von ±2% und Temperatur
zwischen –20°C und 80°C mit einer
Genauigkeit von ±0,9°C gemessen
werden. Wie schon gesagt, kann der aktuelle Feuchte- und Temperaturwert
unmittelbar vor Ort angezeigt werden. Die Messwerte können auch
als Trenddiagramm, d.h. als Zuordnung der Messwerte zu bestimmten
Zeitpunkten, dargestellt werden. So ist automatisch eine lückenlose
Dokumentation der Daten gegeben. Vorteilhafterweise besteht eine
drahtlose Abfragemöglichkeit, ohne
das Messsystem aus dem Bodenanker ausbauen zu müssen. Da der preiswerte Bodenanker
im Boden verbleiben kann, ist die Prüfung zerstörungsfrei. Dabei sind die herausnehmbaren
Sensoren selbst wiederverwendbar. Im Speicher kann ein vollständiges Protokoll über den
Boden geführt
werden. So besitzt jedes Messsystem eine individuelle Kennung und
eine integrierte Uhr, so dass die Feuchtewerte mit der entsprechenden
Datensicherheit protokolliert und anschließend auch nachgewiesen werden
können.
Ein weiterer Vorteil ist auch, dass mit den Messungen simultan auch
die Heizzyklen für
Warmwasser-Fußbodenheizungen
mitprotokolliert werden können.
Bei solchen Fußbodenheizungen
ist das Aufheizprotokoll sinnvoll, um nachzuvollziehen, inwiefern
ein Estrich „trockengeheizt" wurde.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand der 1 und 2 näher beschrieben.
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Es
zeigen:
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1 ein
Blockdiagramm des Systems und
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2 das
System, eingelassen in einen Estrich.
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Die
erfindungsgemäße Sensorvorrichtung 1 passt
in ein Gehäuse 2,
das in seinen Ausmaßen
25 mm lang, 12 mm breit und 8 mm tief ist. Sie weist auf einen kombinierten
Feuchte- und einen Temperatursensor 3, einen Mikroprozessor 4,
eine Infrarot-(IR)-Schnittstelle 5 und eine Batterie 6.
Wichtiger Bestanteil der Sensorvorrichtung ist eine Registriervorrichtung
zur Speicherung einer Reihe von Messwerten. Diese wird gebildet
von dem Mikroprozessor 4, der den Speicher 7 verwaltet.
Das Programm zur Organisation der Sensorvorrichtung 1 kann über die Schnittstelle 5 auf
den Mikrocomputer mit Mikroprozessor 4 und Speicher 7 „down" geladen werden.
Ein Quarznormal 4a dient zur Generierung eines Zeitstempels.
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Die
Sensorvorrichtung 1 ist in der Lage, die relative Feuchte
in einem Bereich von 2% bis 99% mit einer Genauigkeit von ±2% zu
messen. Der Temperatursensor misst in einem Bereich von –20°C bis 80°C mit einer
Genauigkeit von ±0,9°C. Die Sensorvorrichtung
arbeitet autonom und kann zeitaufgelöst die relative Feuchte und
Temperatur messen, wobei die Temperaturmessung zur Bestimmung der
Heizzyklen für
Fußbodenheizungen
von Bedeutung ist. Das Zeitintervall zwischen den Einzelmessungen
kann applikationsspezifisch eingestellt werden. Ebenso ist eine
Programmierung des Startpunktes sowie des Endes der Messung möglich.
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Weiterer
Teil des Systems ist das portable Auslesegerät 8, das der Nutzer
mit sich führen
kann. Dieses weist für
die Kommunikation mit der Sensorvorrichtung 1 ebenfalls
eine IR-Schnittstelle 9 auf. In der schematischen Darstellung
nicht gezeigt sind Mikroprozessor und Speicher des Auslesegerätes 8. Die
von der Sensorvorrichtung 1 empfangenen oder in dem Auslesegerät 8 bearbeiteten
Daten werden dem Nutzer auf einem Display 10 dargestellt. Über das
Auslesegerät 8 kann
die auf dem „Estrich-Pass" (Sensorvorrichtung)
vorhandene Information ausgelesen werden.
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Wie
in 2 gezeigt, wird die Sensorvorrichtung 1 in
eine dampfdurchlässige
Hülse 11 eingeführt, die
sich in der zu untersuchenden Bodenausgleichsmasse 12 befindet.
Um die Kommunikation über
Infrarotsignale zu ermöglichen,
ist die Hülse 11 von
einem Glasplättchen 13 abgedeckt.
Die Hülse 11 hat
in ihrer Wandung Löcher 14,
um den Eintritt der Feuchtigkeit zu ermöglichen. Um zu verhindern,
dass eventuell vorhandene Flüssigkeit
in die Hülse 11 eindringt,
ist diese mit einer Diffusionsschicht 14 ausgekleidet.