DE69602843T2 - Verfahren und vorrichtung zum regulieren und optimieren von feuchtigkeitstransport mittels elektroosmose - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung und Optimierung des Flüssigkeitstransports in einem porösen Gefüge durch Elektroosmose nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
• Das schwedische Patent 450 264 beschreibt ein Verfahren zur Entfeuchtung einer Ziegelwand durch Elektroosmose. Es wird eine Wechselspannung mit einem positiven Durchschnittswert an Elektroden in einem Beton- oder Mauerwerkgefüge sowie an eine an Erde liegende Elektrode angelegt. Der positive Puls ist 2- bis 20-mal länger als der negative Puls, welcher mindestens 20 ms sein muss. Nach dieser Veröffentlichung wird ein ähnliches Verfahren auch zum Einführen einer hydrophoben Flüssigkeit in ein Gefüge verwendet, wieder mittels einer Wechselspannung des gleichen Typs wie zur Entfernung der Feuchtigkeit verwendet wird, jedoch mit einem positiven Puls von 1 Sekunde und einem negativen Puls von 200 ms, während zwischen dem negativen Puls und dem nachfolgenden positiven Puls ein neutrales Intervall von 200 ms liegt.
• Beim Gebrauch der Elektroosmose zum Transport von Flüssigkeiten in porösen Medien, insbesondere zum Austreiben von Feuchtigkeit aus einem Mauerwerk, besteht das Problem, dass das Verfahren zum Erliegen kommt, da sich ein Potential an den Elektroden aufbaut. Um das Verfahren in Gang zu halten bis die relative Feuchtigkeit im Gefüge auf ein Niveau gefallen ist, bei dem keine elektroosmotischen Transportverfahren mehr stattfinden, müssen die Elektroden depolarisiert werden. Nach dem vorstehend genannten schwedischen Patent erfolgt dies während des negativen Pulses.
• Es wurde jedoch gezeigt, dass es nicht möglich ist, die relative Feuchtigkeit hierdurch auf ein Niveau zu reduzieren, wo das Ionentransport-Phänomen ganz aufhört, welches eines der Hauptnachteile der Feuchtigkeitsentfernung durch Elektroosmose ist.
• US-A-5 368 709 beschreibt ein Verfahren zur Entfernung und Regelung von Feuchtigkeit in Beton- oder Mauerwerkgefügen durch Elektroosmose, wobei eine Pulsspannung verwendet wird mit einem Pulsmuster, bestehend aus einem positiven Puls, gefolgt von einem negativen Puls wesentlich kürzerer Dauer als der positive Puls und anschließend einem neutralen Puls, der anfänglich viel kürzer sein kann als beispielsweise die Dauer des negativen Pulses. Durch Verlängern der Dauer des neutralen Pulses im Laufe des Verfahrens und möglicherweise auch der Dauer des Pulsmusters ist es möglich, eine fast vollständige Depolarisierung der Elektroden zu erreichen mit dem Ergebnis, dass das elektroosmotische Verfahren anhält, bis die relative Feuchtigkeit in dem Gefüge unter ein Niveau abgefallen ist, wo das Ionentransport- Phänomen in der Flüssigkeit und damit die Elektroosmose ganz aufhört. Den Elektroden wird dann eine Pulsspannung zugeführt, wobei das Pulsmuster eine Form und Dauer aufweist, die im Wesentlichen denen entspricht, die es hatte, als das elektroosmotische Verfahren aufgehört hat.
• Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass das Pulsmuster und dessen Anpassung ohne direkten Bezug auf den aktuellen Polarisierungszustand der Elektroden erfolgen und hauptsächlich auf einer empirischen oder heuristischen Grundlage beruhen, mit der Folge, dass das elektroosmotische Verfahren nicht optimal ist, auch wenn die Endergebnisse im Allgemeinen gut sind.
• Es ist daher Aufgabe der Erfindung ein Verfahren bereitzustellen, das die Regelung und Optimierung des Flüssigkeitstransports in porösen Gefügen allgemein durch Elektroosmose erlaubt und nicht nur durch Austreiben von Feuchtigkeit z. B. aus Beton- oder Mauerwerkgefügen. Es ist denkbar, dass man diese Aufgabe erreichen kann durch direktes Messen der relativen Feuchtigkeit in der Porenstruktur und Ermitteln der Veränderung der relativen Feuchtigkeit von einem Messzyklus zum anderen, wobei die Geschwindigkeit der Änderung der relativen Feuchtigkeit verwendet werden könnte zur Steuerung der Dauer des neutralen Pulses und/oder der Dauer des Pulsmusters. Dies ist jedoch eine teure Lösung, die eigene Geräte zur Messung der relativen Feuchtigkeit erfordern würde, neben einer teuren Installation der Geräte in der Porenstruktur, die auch ein physikalisches Eindringen in die Porenstruktur bewirken würde.
• Eine zweite Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Messvorrichtung zu vereinfachen und rationale Steuerungskriterien zu bestimmen zur Steuerung ohne den Gebrauch einer teuren umfangreichen Vorrichtung und ohne die Notwendigkeit, physikalisch in die Porenstruktur einzudringen.
• Die Erfindung löst die vorstehend genannten Aufgaben durch ein Verfahren, das gekennzeichnet ist durch die Merkmale aus Anspruch 1 und eine Vorrichtung, gekennzeichnet durch die Merkmale aus Anspruch 13. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
• Die Erfindung wird nun ausführlicher mit Bezug auf die angefügten Zeichnung beschrieben. Es zeigt:
• Fig. 1 eine Vorrichtung zum Flüssigkeitstransport in porösen Gefügen durch Elektroosmose und
• Fig. 2 die Pulsspannung, die in der Elektroosmose eingesetzt wird, in Form einer Sequenz des Pulsmusters.
• Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung, wobei in der Porenstruktur zwei Elektrodenpaare A&sub1;, K&sub1;; A&sub2;, K&sub2; verwendet werden, wobei A&sub1;, A&sub2; die Anoden sind, die in der Porenstruktur angeordnet werden und K&sub1;, K&sub2; die Kathoden sind, die an Erde liegenden Elektroden sind. Die Elektrodenpaare sind verbunden mit den jeweiligen Ausgängen einer Spannungsquelle über die Leitungen L&sub1;, L&sub2; bzw. L&sub3;, L&sub4;, und die Spannungsquelle umfasst einen Pulsgenerator zur Erzeugung des gewünschten Pulsmusters. Weiterhin ist jedes der Elektrodenpaare mit einem Spannungsmesser verbunden über die jeweiligen Messleitungen M&sub1;, M&sub2;; M&sub3;, M&sub4;. In einer Schleife zwischen dem Spannungsmesser und der Spannungsquelle befindet sich eine Programmsteuereinheit. Über den Pulsgenerator auf den Leitungen L&sub1;, L&sub2;; L&sub3;, L&sub4; versorgt die Spannungsquelle die jeweiligen Elektrodenpaare A&sub1;, K&sub1;; A&sub2;, K&sub2; mit einer Pulsspannung aus einer Sequenz von Pulsmustern, bestehend aus einem positiven Puls der Dauer t&sub1; und einer Spannungsamplitude +VS, gefolgt von einem negativen Puls der Dauer t&sub2; und einer Spannungsamplitude -VS und anschließend einem neutralen Puls der Dauer t&sub3;, wobei t&sub2; wesentlich kürzer ist als t&sub1;, mit der Folge, dass das Pulsmuster eine positive Spannungszahl erhält. Anfänglich, d. h. bei Einschalten des elektroosmotischen Verfahrens, macht t&sub3; nur einen Teil bspw. von t&sub2; aus und ist vorzugsweise zwischen 10 und 20 ms.
• Der Spannungsmesser wird dann über die Programmsteuereinheit angeschaltet in einem vorbestimmten Messzyklus, der vergleichbar ist mit der Dauer TP eines Pulsmusters und der, wenn das Neutralintervall t&sub3; auftritt, den Spannungsmesser auslöst zur Messung jeder Potentialdifferenz zwischen den Elektroden A, K in jedem Elektrodenpaar auf den Messleitungen M&sub1;, M&sub2; bzw. M&sub3;, M&sub4;. Da keine Betriebsspannung ±V3 von der Spannungsquelle über die Elektroden A, K zugeführt wird, wird der Spannungsmesser in diesem Intervall den möglichen Polarisierungszustand der Elektroden als Potentialdifferenz ΔVP feststellen, mit beispielsweise ΔVP1 der Potentialdifferenz über dem ersten Elektrodenpaar A&sub1;, K&sub1; und ΔVp2 der Potentialdifferenz über dem zweiten Elektrodenpaar A&sub2;, K&sub2;.
• Auf Grundlage der ermittelten Potentialdifferenz ΔVp und einer möglichen Änderung der nachgewiesenen Potentialdifferenz ΔVP liefert die Programmsteuereinheit jetzt einen Kontrollwert an den Pulsgenerator der Spannungsquelle, was eine Änderung der Dauer t&sub3; des Neutralintervalls bewirkt und möglicherweise auch der Dauer des Pulsmusters Tp. Dies kann erfolgen auf Grundlage des Verhältnisses ΔVp/VS mit dem Ergebnis, dass t&sub3; und/oder Tp ansteigen, wenn ein Anstieg festgestellt wird in ΔVP. In ähnlicher Weise bleiben t&sub3; und/oder TP konstant, wenn ΔVp zwischen den Messungen gleich bleibt oder abnimmt.
• Anfänglich kann die Dauer des Pulsmusters vorprogrammiert werden, so dass sie in dem Intervall 1 bis 4 Sekunden liegt und, abhängig von der gemessenen Potentialdifferenz VP so gesteuert wird, dass Tp auf 20 Sekunden ansteigt. Wie gesagt kann die Dauer t&sub3; des neutralen Pulses anfänglich sehr kurz sein, 10 bis 20 ms, was mehr als ausreicht, um die Potentialdifferenz ΔVP zu ermitteln. Durch die Steuerung von t&sub3; derart, dass es ansteigt aufgrund einer nachgewiesenen Potentialdifferenz ΔVp und in Bezug auf das Verhältnis ΔVp/ΔVs, wird eine fast optimale Depolarisierung der Elektroden erreicht, da ΔVP für die Dauer t&sub3; des neutralen Pulses herabgesetzt wird. Dadurch kann durch Steuern der Dauer des neutralen Pulses t&sub3; eine fast vollständige Depolarisierung der Elektroden erreicht werden mit der Folge, dass die gemessene Potentialdifferenz ΔVP zu jeder Zeit höchstens einen unwesentlichen Teil der Betriebsspannung VS ausmachen wird. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das elektroosmotische Verfahren effizienter wird, da anderenfalls die Polarisation der Elektroden die Wirksamkeit des Verfahrens herabsetzt und dieses dadurch vollständig zum Erliegen kommt.
• Im Laufe des Verfahrens wird die Steuerung sicherstellen, dass sowohl t&sub3; als auch Tp ansteigen, bis das Ionentransport-Phänomen in der zu transportierenden Flüssigkeit aufhört, da die relative Feuchtigkeit in der Porenstruktur unter ein gegebenes Niveau sinkt, bspw. 75 bis 70% relative Feuchtigkeit. Die Programmsteuereinheit versetzt die Spannungsquelle dann in eine Ruhephase, in der ein sehr schwa cher Strom und eine Pulsspannung auf die Elektroden gegeben wird, während die Dauer des Pulsmusters etwa 5 Mal der Anfangsdauer TP des Pulsmusters sein kann, mit anderen Worten 5 bis 20 Sekunden beträgt. In ähnlicher Weise wird die Dauer t&sub3; des neutralen Pulses in dieser Ruhephase im Abstand von 1 bis 8 Sekunden sein.
• Wird das erfindungsgemäße Verfahren verwendet, z. B. zum Trocknen von Mauerwerk, kann die Ruhephase dauerhaft sein, und in diesem Fall wird ein Messzyklus verwendet zur Kontrolle des Elektrodenpolarisierungszustands in sehr großen Abständen, z. B. von Tag zu Tag oder in Abständen von mehreren Tagen.
• Werden zwei Elektrodenpaare bereitgestellt, kann die Programmsteuereinheit die Messzyklen kontrollieren, wodurch der Nachweis in synchronen Pulsmustern erfolgt, jedoch zeitverschoben um den Abstand t&sub3;. Dadurch, dass die Messung der Potentialdifferenz ΔVP als Zeit-Multiplex-Signale erfolgt, wird nur ein Detektor benötigt, da der gleiche Detektor über die Programmsteuereinheit im Zeitmultiplex von Elektrodenpaar zu Elektrodenpaar geschaltet werden kann. Wahlweise kann die Programmsteuereinheit den Spannungsmesser auf das erste Elektrodenpaar A&sub1;, K&sub1; in einem ersten Messzyklus schalten und anschließend auf das zweite Elektrodenpaar A&sub2;, K&sub2; in einem nachfolgenden Messzyklus mit dem Ergebnis, dass der Spannungsmesser die Potentialdifferenzen ΔVP1; ΔVp2 in verschiedenen Messzyklen misst, möglicherweise direkt hintereinander.
• Gleichzeitig wird der Messzyklus angepasst, abhängig von der Regulierung des Pulsmusters über den Pulsgenerator in der Spannungsquelle. Der Messzyklus und die Steuerspannung, die die Änderungen des Pulsmusters bewirken, sind daher Teil einer Kontrollschleife, die von der Programmsteuereinheit gebildet wird.
• Auch wenn die Erfindung in erster Linie beschrieben ist in Hinsicht auf den Gebrauch von Elektroosmose zum Austreiben von Feuchtigkeit aus Porenstrukturen, ist davon auszugehen, dass das Verfahren und die Vorrichtung bei allen Porenstrukturen anwendbar ist, bei denen man elektroosmostische Verfahren erzeugen kann, d. h. bei Porenstrukturen mit Kapillaren. Diese sind nicht beschränkt auf Beton und verschiedene Mauerwerkarten, sondern umfassen Arten von Stein, Mineralien, Erde und eine große Anzahl Kunststoffe. In diesem Zusammenhang ist es jedoch wichtig darauf hinzuweisen, dass zwischen der Anode und der Kathode in einem Elektrodenpaar eine kapazitive Last während der Elektroosmose vorliegt. Dies ist auch gezeigt in Fig. 1, wo die Last zwischen jedem Elektrodenpaar A&sub1;, K&sub1;; A&sub2;; K&sub2; jeweils als kapazitive Last angegeben ist oder Lc1 oder Lc2.

Claims (13)

1. Verfahren zur Steuerung und Optimierung des Flüssigkeitstransports in einem porösen Gefüge durch Elektroosmose, wobei ein oder mehrere Elektrodenpaare verwendet werden, jedes Elektrodenpaar eine elektrische Schaltung bereitstellt, umfassend eine Anode im porösen Gefüge und eine an Erde liegende Kathode, die Anode und die Kathode mit den entsprechenden Ausgängen einer Stromquelle verbunden sind, die das Elektrodenpaar mit einer Impulsspannung in Form einer Reihe Pulsmuster versorgt, und jedes Pulsmuster einen ersten positiven Puls umfasst mit einer bestimmten Amplitude VS und einer Dauer t&sub1;, einen negativen Puls mit der gleichen Amplitude VS, jedoch einer wesentlich kürzeren Dauer t&sub2; als der positive Puls, und anschließend einen neutraler Puls, dessen Dauer t&sub3; anfänglich viel geringer ist als die Dauer des negativen Pulses und nur einen kleinen Anteil der Dauer Tp des Pulsmusters ausmacht,

gekennzeichnet durch

das Nachweisen jeder Potentialdifferenz ΔVP zwischen der Anode und Kathode in mindestens einem Elektrodenpaar während der Dauer t&sub3; des meutralen Pulses in dem Pulsmuster, das in den ersten Messzyklus fällt, und, falls DVp ≠ 0, abhängig vom Verhältnis ΔVP : VS, das Steuern von

a) der Dauer t&sub3; des neutralen Pulses, oder

b) der Dauer des Pulses TP des Pulsmusters, oder

c) sowohl der Dauer t&sub3; des neutralen Pulses und der Dauer TP des Pulsmusters,

wobei der Messzyklus mit einer bestimmten Wiederholungsfrequenz wiederholt wird, da die Dauer t&sub3; des neutralen Pulses oder die Dauer TP des Pulsmusters oder beide ansteigen, wenn die gemessene Potentialdifferenz ΔVP von einem Messzyklus zum anderen ansteigt, und ansonsten konstant gehalten wird, mit dem Ergebnis, dass die Dauer t&sub3; des neutralen Pulses maximal auf etwa das Zweifache der Anfangsdauer t&sub2; des negativen Pulses ansteigt, und die Dauer TP des Pulsmusters höchstens 5- bis 10-mal der Anfangsdauer TP des Pulsmusters entspricht, woraufhin diese Endwerte der Dauer t&sub3; des neutralen Pulses und der Dauer Tp des Pulsmusters in einer Wartungsphase verwendet werden, nachdem der Flüssigkeitstransport aufgehört hat.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer t&sub2; des negativen Pulses auf zwischen 0,1 und 0,2-mal der Dauer t&sub1; des positiven Pulses ansteigt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer t&sub3; des neutralen Pulses anfänglich zwischen 10 ms und 20 ms liegt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer Tp des Pulsmusters im Intervall von 1 bis 20 s gesteuert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer Tp des Pulsmusters anfänglich ausgewählt ist im Intervall von 1 bis 4 s.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer Tp des Pulsmusters in der Wartungsphase im Intervall von 5 bis 20 s gesteuert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer des neutralen Pulses in der Wartungsphase im Intervall von 1 bis 8 s gesteuert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wiederholungsfolge des Messzyklus so ausgewählt ist, dass sie in einem Frequenzbereich liegt von der anfänglichen Pulsmusterfrequenz bis einmal alle 24 Stunden.

9. Verfahren nach Anspruch 1 oder 8, wobei mehr als ein Elektrodenpaar verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulsmuster für jedes Elektrodenpaar gesteuert wird, indem die Potentialdifferenz ΔVp für jedes Elektrodenpaar in ein und demselben Messzyklus durch eine Zeitmultiplex-Erfassung ermittelt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1 oder 8, wobei mehr als ein Elektrodenpaar verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulsmuster für jedes Elektrodenpaar gesteuert wird, indem die Potentialdifferenz ΔVP im Neutralintervall für jedes Elektrodenpaar in verschiedenen Messzyklen ermittelt wird.

11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es durch eine Programmsteuereinheit ergänzt wird, die mit einem Spannungsdetektor bzw. der Stromquelle verbunden ist.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Messzyklus angepasst ist, abhängig von der bewirkten Änderung des Pulsmusters über eine Kontrollschleife, die in der Programmsteuereinheit bereitgestellt wird.

13. Vorrichtung zur Ergänzung des Verfahrens zur Steuerung und Optimierung des Flüssigkeitstransports in einem porösen Gefüge durch Elektroosmose, wobei ein oder mehrere Elektrodenpaare verwendet werden, jedes Elektrodenpaar eine elektrische Schaltung bereitstellt, umfassend eine Anode im porösen Gefüge und eine an Erde liegende Kathode, die Anode und die Kathode mit den entsprechendenen Ausgängen einer Stromquelle verbunden sind, die das Elektrodenpaar mit einer Impuls spannung in Form einer Reihe Pulsmuster versorgt, und jedes Pulsmuster einen ersten positiven Puls umfasst mit einer bestimmten Amplitude VS und einer Dauer t&sub1;, einen negativen Puls mit der gleichen Amplitude VS, jedoch einer wesentlich kürzeren Dauer t&sub2; als der positive Puls, und anschließend einen neutralen Puls, dessen Dauer t&sub3; anfänglich viel geringer ist als die Dauer des negativen Pulses und nur einen kleinen Anteil der Dauer TP des Pulsmusters ausmacht,

dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Elektrodenpaare (A, K) jeweils in Serie über einen Spannungsmesser verbunden sind, der Spannungsmesser mit einer Programmsteuereinheit verbunden ist und die Programmsteuereinheit mit einem Pulserzeuger verbunden ist, der in einer Spannungsquelle bereitgestellt wird, so dass auf Grundlage einer Potentialdifferenz ΔVP über jedem Elektrodenpaar (A, K), ermittelt während der Dauer t&sub3; des neutralen Pulses in einem Pulsmuster, das vom Pulserzeuger erzeugt wird, die Programmsteuereinheit das Pulsmuster steuert, das über die Stromquelle zu dem Elektrodenpaar oder den Elektrodenpaaren gelangt, bezogen auf die Dauer t&sub3; des neutralen Pulses oder die Dauer TP des Pulsmusters oder beiden.