EP3350924A1

EP3350924A1 - Kapazitives sensorsystem mit einem sensorabschnitt aus einem synthetischen baustoff, verfahren zu seiner herstellung und seine verwendung

Info

Publication number: EP3350924A1
Application number: EP16778692.0A
Authority: EP
Inventors: Thorsten KLOOSTER; Jan Iwanowicz; Jan JURASCHEK
Original assignee: Kennwert Rd GmbH
Current assignee: Kennwert Rd GmbH
Priority date: 2015-09-17
Filing date: 2016-09-16
Publication date: 2018-07-25
Also published as: US20180287605A1; CN108028647A; WO2017046311A1; DE102015115749A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein kapazitives Sensorsystem mit einer Sensorelektronik und mit einem Sensorabschnitt(1) aus einem synthetischen Baustoff, der eine Sensorelektrode (3; 22) um- fasst,sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung und seine Verwendung.

Description

Kapazitives Sensorsystem mit einem Sensorabschnitt aus einem synthetischen Baustoff, Verfahren zu seiner Herstellung und seine

Verwendung

Die Erfindung betrifft ein kapazitives Sensorsystem mit einer Sensorelektronik und einem Sensorabschnitt, das im Wesentlichen im Bauwesen eingesetzt werden kann, sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung und seine Verwendung. Die GB 2 368 126 beschreibt einen kapazitiven Sensor, der als Schalter in eine Wand eingesetzt und beispielsweise durch eine Fliese abgedeckt ist. Die WO 2015/104480 A1 offenbart einen Schalter, der hinter einer undurchsichtigen Wand anzubringen ist, so dass er von einer Außenseite aus nicht erkennbar ist, aber von der Außenseite aus bedient werden kann. Aufgabe der Erfindung ist es, Bauteile und vor allem Wände, Stützen und dergleichen in oder an Gebäuden zu funktionalisieren, ohne dass dafür bewegbare und damit verschleißbehaftete Einrichtungen erforderlich sind.

Diese Aufgabe wird durch ein kapazitives Sensorsystem mit einer Sensorelektronik und mit einem Sensorabschnitt aus einem synthetischen Baustoff gelöst, der eine Sensorelektrode umfasst. Die an sich bekannte Sensorelektronik, die beispielsweise einen Sensorchip bzw. einen Signalwandler und eine Stromquelle beinhalten kann bzw. beinhaltet, hält einen Strom- fluss zur Erzeugung eines elektrostatischen Streufelds an der Sensorelektrode konstant, detektiert eine Potenzialänderung des Streufelds und wandelt sie in ein Signal um. Einen wesentlichen Bestandteil der Erfindung stellt ein an sich elektronisches Bauteil dar, das zumindest einen als Sensor ausgebildeten Abschnitt, den Sensorabschnitt umfasst. Erfindungsgemäß besteht der Sensorabschnitt aus einem synthetischen Baustoff, in den eine Sensorelektrode eingebettet ist. Unter dem synthetischen Baustoff ist jeder Baustoff zu verstehen, der nicht natürlich hergestellt ist, sondern insofern künstlich, als er sich aus mehre- ren unterschiedlichen oder gleichartigen Komponenten zusammensetzt, so dass seine neue Zusammensetzung oder Struktur nicht mehr auf eine natürliche Entstehung zurückgeht. Der meistverwendete und in diesem Sinne synthetische Baustoff ist Beton, der zwar natürliche Ausgangsstoffe wie Wasser und Kies als Zuschlagsstoff umfasst, jedoch auch synthetische Stoffe wie Zement erfordert und schließlich in seiner ausgehärteten Form als künstlicher Baustoff zu erkennen ist. Unter den synthetischen Baustoffen sind zudem auch solche zu verstehen, die allein oder in Verbindung mit Beton beispielsweise als dessen Beschichtung wie alle Arten von Gipsen, Putzen, Estrichen oder Kunststoffen aufgebracht werden. Insofern muss es sich also nicht zwingend um einen homogenen Baustoff für den Sensorabschnitt handeln, sondern er kann auch aus einer Kombination von an sich unterschiedlichen Baustoffen zu einem kompakten Bauteil bestehen. Als synthetischer Baustoff im Sinne der Erfindung ist auch der Baustoff Holz zu verstehen, insofern er nicht in der natürlichen Form eingesetzt wird, sondern sobald er in irgendeiner Weise verarbeitet bzw. modifiziert wird. Darun- ter fallen jedenfalls beispielsweise Brettschichtholzträger, Spanplatten, Holzwerkstoffplatten und Holzbauteile mit Furnieren. Auch Gipskartonplatten, mineralische Werkstoffe und Faserverbundwerkstoffe und deren eventuelle Kombination sind möglich. Allen diesen Baustoffen ist darüber hinaus gemeinsam, dass ihre Verarbeitung oder Bearbeitung bei Temperaturen bis 100°C, 150°C oder maximal 200°C stattfindet, die einer Elektronik nicht schaden, und sie selbst weitgehend undurchsichtig sind und damit unsichtbar funktionalisiert sein können.

Das erfindungsgemäße kapazitive Sensorsystem arbeitet also auf der Basis der Veränderung der Kapazität eines einzelnen Kondensators oder eines Kondensatorsystems, dessen eine Elektrode, die vorliegend als Sensorelektrode bezeichnet wird, Bestandteil des Sensor- Systems ist, wohingegen die andere Elektrode ein insofern nicht dazugehöriger bewegter Körper ist, beispielsweise die Hand eines Benutzers. Erfindungsgemäß ist nun die Sensorelektrode von dem synthetischen Baustoff umgeben. Darunter ist zu verstehen, dass die Sensorelektrode nicht etwa beispielsweise von einem Gehäuse umgeben ist, das mit dem Baustoff verbunden wird bzw. an einem Bauteil aus dem synthetischen Baustoff befestigt wird. Vielmehr stehen der synthetische Baustoff und die erfindungsgemäß gehäusefreie Sensorelektrode in unmittelbarem, regelmäßig unlösbarem Kontakt. Diese Konstruktion ermöglicht es, die Sensorelektrode äußerst oberflächennah und dennoch weitgehend unsichtbar oder auf der Oberfläche anzuordnen. Die Nähe zur Oberfläche begünstigt den Betrieb des kapazitiven Sensorsystems, weil damit die Präzision der Wirkung des Sensorsystems steigt und der er- forderliche Energieaufwand für seinen Betrieb sinken kann. Die erfindungsgemäße Konstruktion ermöglicht darüber hinaus Sensorelektroden in nahezu jeder beliebigen Form, also insbesondere quader- oder kugelförmige, flächige, stabförmige, jeweils gekrümmte und darüber hinaus jeweils unregelmäßig geformte Sensorelektroden. Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die Sensorelektrode in den Baustoff vollständig eingebettet sein. Die eingebettete Sensorelektrode bietet den Vorteil der Unsichtbarkeit in dem undurchsichtigen Baustoff, so dass eine Funktionalisierung des daraus hergestellten Bauteils nicht zwingend erkennbar ist und so die für die Funktionalisierung er- forderliche Technik einen ästhetischen Eindruck des Bauteils nicht beeinträchtigt. Außerdem bietet die Einbettung einen wirkungsvollen Schutz der Sensorelektrode bzw. ihrer evtl. mikroelektronischen Einbauteile vor mechanischer Beschädigung und Umwelteinflüssen wie Witterung und dergleichen.

Im Betrieb baut die Sensorelektrode ein elektrisches Feld um sich herum auf, das sich durch Annäherung an die oder Berührung der Sensorelektrode verändert. Je nach geometrischer Form der Sensorelektrode baut sie ein elektrisches Feld mit homogenen und inhomogenen Bereichen auf. Vor allem der homogene Bereich legt in der Regel die Detektionsrichtung des kapazitiven Sensorsystems fest. Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann das Sensorsystem eine die Sensorelektrode zumindest in einer zur Detektionsrichtung orthogonalen Ebene umgebenden Schirmelektrode umfassen. Sie dient dazu, inhomogene Randbereiche des elektrischen Felds der Sensorelektrode abzuschirmen. So entwickelt sich zwischen der Sensorelektrode und dem zu detektierenden bewegten Körper ein annähernd paralleles elektrisches Feld mit einer an sich bekannten Charakteristik eines idealen Plattenkondensators. Damit lassen sich auch kleinere Veränderungen im elektrischen Feld besser detektieren, womit die Effizienz des kapazitiven Sensorsystems steigt.

Die Schirmelektrode kann die Sensorelektrode auch mehrseitig, insbesondere rückseitig umgeben, um deren Detektionsrichtung auf ihre „Vorderseite" zu begrenzen. Die Schir- melektrode dient also insgesamt dazu, das Streufeld bzw. den Detektionsbereich der Sensorelektrode zu definieren. Die konstruktive Gestaltung der Schirmelektrode orientiert sich daher weitgehend an der Gestalt der Sensorelektrode. Jene kann, auch ohne den Einsatz einer Schirmelektrode, weitgehend beliebige Raumformen annehmen und ist nicht auf eine zylindrische oder ebenflächige Form beschränkt. Für eine beispielsweise kalottenförmige Sensor- elektrode, deren konvexe Oberfläche den Detektionsbereich bestimmt, kann eine kreis- oder scheibenförmige Schirmelektrode erforderlich werden, die eventuell einen kleinen aufgebördelten Rand aufweist. Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können jedenfalls die Sensorelektrode und ggf. auch die Schirmelektrode, sofern vorhanden, und weitere leitfähige Sensorbestandteile elektrisch isoliert sein. Sie können dazu beispielsweise mit einer Kunststoff-, Lack- oder Pulverbeschichtung umgeben sein. Die elektrische Trennung der leitfähigen Sen- sorbestandteile von den umgebenden Baustoffen verhindert Störeinflüsse auf das Sensorsystem, sofern der Baustoff wasserhaltig ist oder während des Betriebs mit Feuchtigkeit beaufschlagt wird.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die Abschirmung bzw. Feldeingrenzung der Sensorelektroden, also die Funktion der Schirmelektrode, der den Sensorabschnitt umgebende Beton bzw. die Betonmatrix selbst übernehmen. Bei geringer elektrischer Leitfähigkeit des Betons kann er selbst auch aufgrund seiner Masse bzw. Mächtigkeit im Bereich der Sensorelektrode wie eine Schirmelektrode wirken und den Detektions- bereich der Sensorelektrode bzw. das Sensorfeld eingrenzen. Erfindungsgemäß kann die elektrische Leitfähigkeit des Betons durch Zuschlagsstoffe soweit herabgesetzt werden, dass sich dadurch das Sensorfeld eingrenzen lässt. Dies ist zum Beispiel insbesondere mittels Polymerzuschlägen möglich. Sofern Verarbeitungstemperaturen von unter etwa 200°C eingehalten werden, kann statt Normalbeton mit Polymerzuschlägen auch Polymerbeton verwendet werden. Er enthält im Gegensatz zum normalen Beton ein Polymer bzw. einen Kunststoff als Bindemittel, das die Gesteinskörnung bzw. den Zuschlag zusammenhält. Zement wird im Polymerbeton, wenn überhaupt, nur als Füllstoff, also als Erweiterung der Gesteinskörnung in den Feinstkornbereich hinein eingesetzt und übernimmt keine Bindewirkung. Damit kann Wasser, das üblicherweise als Bildner von Zementleim für die Bindewirkung zuständig ist, als Bestandteil der Matrix und mit ihm ein wesentlicher elektrisch leitfähiger Bestandteil im Polymerbeton entfallen.

Diese Ausgestaltung der Erfindung eignet sich auch für die weiter unten beschriebene Anordnung mehrerer Sensorelektroden. Deren Felder werden durch den mittels polymermodifizierten Betons oder mittels Polymerbeton abgeschirmt, sodass separate Schirmelektroden entfallen können. Über die Position der in der polymermodifizierten oder Polymermatrix eingebetteten Sensorik kann zusätzlich die Reichweite des Detektionsfeldes einer Sensorelektrode definiert werden, also indem sie in einem Randbereich, nahe einer Bauteiloberfläche, in einer mittleren Position oder tief eingesenkt, also entfernt von der Oberfläche positioniert wird. Schließlich lassen sich unterschiedliche Betone zur Herstellung des Sensorabschnitts kombinieren, also und ein„nicht leitfähiger" polymermodifizierter oder Polymerbeton, um das Sensorfeld in einer bestimmten Richtung einzugrenzen, und ein„leitfähiger" Normalbeton im Übrigen. Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann das Sensorsystem Positionierungsmittel umfassen, die mit der Sensorelektrode und ggf. mit der Schirmelektrode gekoppelt sind und deren Lage im Sensorabschnitt definieren. Die Positionierungsmittel dienen dazu, die Position jedenfalls der Sensorelektrode ggf. aber auch der Schirmelektrode im zukünftigen Bauteil hochgenau einzustellen, vor allem hinsichtlich ihres Abstands zur Ober- fläche des Bauteils in Detektionsrichtung. Um die Wirkungsweise des Sensorsystems im Übrigen nicht zu beeinflussen, eignen sich insbesondere nicht leitfähige Materialien für die Positionierungsmittel. Dabei kann es sich beispielsweise um Befestigungsmittel handeln, mit denen die Elektroden an einer Bewehrung eines zu erstellenden Bauteils aus Beton befestigt werden. Alternativ kann ein Positionierungsrahmen die Sensorelektrode und ggf. die Schirmelektrode aufnehmen und in einer Schalungseinrichtung für ein Betonbauteil fixieren, um die Lage der Elektroden während des Einbringens des Betons, des Verdichtens und der anschließenden Aushärtung zu definieren. Wie eine verlorene Schalung können die Positionierungsmittel entweder im aushärtenden Bauteil verbleiben oder zu einem geeigneten Zeitpunkt entnommen und für einen weiteren Herstellungsvorgang verwendet werden.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können die Schirmelektroden zugleich als Positionierungsmittel ausgebildet sein. Diese Funktionenkombination erlaubt einen geringeren Material- und Montageeinsatz. Die Schirmelektroden können dazu neben einer Isolierung über Befestigungsmittel an der Schalungseinrichtung für ein Betonbauteil oder an der Gussform für ein Kunststoffbauteil ausgestattet sein, die ggf. später als Kontakte für ihre Erdung dienen können.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann das Sensorsystem mehrere Sensorelektroden mit angrenzenden oder sich zumindest teilweise überlappenden Streufeldern bzw. Detektionsbereichen verfügen. Schirmelektroden können zur Reduktion oder zur Vermeidung von Überlappungen führen. Sie können außerdem Funktionsflächen auf der zukünftigen Oberfläche des Bauteils definieren, die voneinander abgegrenzt und ggf. voneinander beabstandet sind. Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können mehrere Sensorelektroden und ggf. entsprechende Schirmelektroden in derselben Ebene nebeneinander angeordnet sein und ein Bedienfeld auf einer Bauteiloberfläche ausbilden. Die Anordnung nebeneinander schließt auch eine solche übereinander ein. Unter„derselben Ebene" ist die Kon- struktionsebene der Sensorelektroden zu verstehen, wobei nicht nur ebene, sondern auch ggf. gekrümmte oder anderweitig profilierte Flächen möglich sind. Mit der Anordnung mehrerer Sensorelektroden nebeneinander lassen sich getrennte Funktionsflächen wie z. B. Schalterflächen ausbilden. Zusammenhängende Funktionsflächen dagegen lassen die Umsetzung von beispielsweise von Dimm- oder sequentiellen Schaltfunktionen mittels Gestensteuerung wie Wisch- oder Tippgesten oder vergleichbar zu.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann das Sensorsystem mit einem bewehrten Sensorabschnitt ausgestattet sein, wobei die Bewehrung des Sensorabschnitts über einer elektrischen Kontaktierung verfügt, so dass die Bewehrung eine Sensor- elektrode bildet. Eine Bewehrung jedenfalls von Beton besteht regelmäßig aus elektrisch leitfähigem Material, nämlich aus sog. Betonstahl. Alternativ kann die Bewehrung aus anderen Metallen oder aus Carbonfasern bzw. kohlenstoffbasierten Materialien ausgebildet sein. Damit kann die Bewehrung erfindungsgemäß als Sensorelektrode verwendet werden, wenn sie elektrisch kontaktiert und mit einer oben erwähnten Sensorelektronik zu einem Sensor- system verknüpft wird. Mit der Doppelfunktion als Bewehrung einerseits und als Sensorelektrode andererseits kann nicht nur Material und Konstruktionsaufwand eingespart, sondern auch ein eventueller elektrischer Störeinfluss einer herkömmlichen Bewehrung ausgeschlossen werden. Der zur Erzeugung des elektrischen Feldes, also des Sensorfeldes, erforderliche (Signal-)Strom kann vorzugsweise in einem Randbereich des Sensorabschnitts bzw. der Bewehrung in die Bewehrung eingeleitet werden. Die Bewehrung kann„als Ganzes" kontaktiert werden. Ein elektrischer Kontaktpunkt zur Stromeinleitung, der zugleich als ein Signalabnehmer fungieren kann, bedeutet, dass über die Bewehrung ein homogenes Sensorfeld ausgebildet wird und zur Detektion genutzt werden kann. Das Sensorfeld entsteht je nach der Struktur bzw. der Anordnung der Bewehrung. So kann die Bewehrung linear als Strang oder als parallele Stränge oder flächig zum Beispiel als herkömmliche Betonstahlmatte ausgebildet sein und dementsprechende Sensorfelder erzeugen.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die Bewehrung elektrisch in Teilabschnitte untergliedert sein. Dazu können mehrere Bewehrungsabschnitte ausgebildet oder die Bewehrung z. B. durch Isolatoren lediglich elektrisch unterteilt sein. Über die Anzahl der Signalstromeinleitungspunkte in die Bewehrungsabschnitte und deren elektrische Trennung bzw. Differenzierung in Teilbereiche lassen sich einzelne oder mehrere Sensorfelder und -bereiche definieren. Es können aber auf einfache Weise Bewehrungsele- mente bzw. -bereiche elektrisch voneinander isoliert und einzeln kontaktiert werden, sodass mehrere Sensorfelder in einem Bauelement ausgebildet und zur Detektion in komplexer Weise genutzt werden können. Damit lässt sich beispielsweise die Detektion von Wischgesten oder der Bewegung von Objekten auf der Bauteiloberfläche ermöglichen, darüber hinaus die abschnitts- und bereichsweise Detektion von Bauteilzuständen, Witterungseinflüssen etc.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann der Sensorabschnitt eine flächig ausgebildete Bewehrung mit in unterschiedliche Richtungen und in einem Winkel zueinander verlaufenden Bewehrungssträngen aufweisen, wobei gleichgerichtete Bewehrungsstränge von in dem Winkel zu ihnen verlaufenden Bewehrungssträngen elektrisch ge- trennt sind. Bei einer herkömmlichen Mattenbewehrung aus Betonstahl verlaufen die Stränge bzw. die Scharen an parallelen Strängen rechtwinklig zueinander, also beispielsweise in x-Richtung und in der orthogonal dazu verlaufenden y-Richtung. Sowohl mit Betonstahl als auch mit andern Bewehrungsmaterialien wie beispielsweise Carbonfasern lassen sich aber auch andere als 90°-Winkel und ggf. auch mehr als nur zwei in einem Winkel zueinander verlaufende Scharen an parallelen Strängen ausbilden., Erfindungsgemäß können Faserstränge von Betonstahlmatten oder Carbonfasermatten an den Kreuzungspunkten isoliert werden, sodass Sensorfelder entlang jeweils eines Faserstrangs entstehen. Speziell mit Carbonfasermatten bewehrter Beton ist dem Bereich Textilbeton/ Textile Reinforced Concre- te (TRC) zuzurechnen. Wird nun eine Betonstahlmatte oder eine„handelsübliche" Carbonfa- sermatte als Bewehrung im Beton kontaktiert, so bildet sich ein homogenes Sensorfeld über die gesamte Matte aus, weil der Signalstrom an den Kreuzungspunkten jeweils zweier Faserstränge weitergeleitet wird und so letztlich über alle Stränge in x- und y-Richtung anliegt. Erfindungsgemäß werden nun die Stränge an den Kreuzungspunkten voneinander isoliert, d. h. beispielsweise auf kurzen Abschnitten mit nicht leitfähigem Material umwickelt, wobei die Isolierung jeweils eines Strangs im Prinzip reicht. Das statische Verhalten der dergestalt veränderten Matte ändert sich nicht, das heißt, die Kräfte werden u. a. weiterhin an den Kreuzungspunkten übertragen. Elektrisch betrachtet ergibt sich aber daraus eine Anordnung länglicher stabähnlicher Sensorelektroden. Die Faserstränge können jetzt einzeln kontaktiert und als Sensorelektrode genutzt werden. So können letztlich maximal alle Faserstränge der Bewehrungsmatte in x- und y-Richtung für eine Sensoranordnung genutzt werden. Ebenso können nur Stränge in x- oder nur in y-Richtung genutzt werden oder zeitlich wechselnd unterschiedliche Gruppen von Faserstränge oder jeweils ein Faserstrang. Die unterschiedlichen Funktionsweisen solcher Anordnungen verdeutlicht das Beispiel einer detektierbaren händischen Wischgeste. Werden beispielsweise alle Stränge in x-Richtung als Sensorelektroden genutzt, so können Wischgesten in y-Richtung gut und sehr genau zeitlich und räumlich detektiert werden, weil die wischende Hand nacheinander in der Regel mehrere oder alle Stränge in x-Richtung überfährt. Wischgesten in x-Richtung parallel zu den Sensorelektroden können hingegen nur ungenau erkannt und verortet werden.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können als Bewehrung sogenannte Abstandsgewirke oder Abstandsgestricke aus leitfähigem Material oder Garn, also Gewirke, die um die dritte Dimension erweitert wurden, in der oben beschriebenen Weise elektrisch isoliert und kontaktiert werden. Abstandgewirke sind zumindest doppelflächige Gewebe oder Gewirke, Textilien oder Fasermatten mit Verbindungsfäden (Polfäden), die die Flächen auf Abstand halten. Im Fall von Abstandsgewirken können beispielsweise die x-Fasern einer oberen Ebene und die y-Fasern einer unteren Ebene gegeneinander isoliert und jeweils kontaktiert und damit jeweils als Sensorelektrode genutzt werden. Allein der Ab- stand der Ebenen bietet den Vorteil, dass eine bessere Isolierung zwischen den als Sensorelektroden dienenden Ebenen gewährleistet ist, womit z. B. die Signalstromstärke erhöht werden kann.

Je nach Anwendungsfall können die zuvor beschriebenen Sensor- und Schirmelektroden wegfallen. Darüber hinaus sind auch Kombinationen von leitfähiger Bewehrung und (zusätzlichen) Sensor- und Schirmelektroden denkbar. Ebenso kann das mittels leitfähiger Bewehrung erzeugte Sensorfeld mittels nicht-leitfähigen Betons oder Polymerbetons oder vergleichbaren Matrixmaterialien eingegrenzt werden. Die eingangsgenannte Aufgabe wird außerdem durch ein Verfahren zum Herstellen eines kapazitiven Sensors mit einer in einem synthetischen Baustoff eingebetteten Sensorelektrode gelöst, das die folgenden Schritte umfasst:

a) Positionieren der Sensorelektrode und/oder eine Schirmelektrode samt elektrischen Anschlüssen in einer Schalungseinrichtung bzw. Gussform, b) Einbringen des synthetischen Baustoffs in eine Schalungseinrichtung bzw. Gussform, c) Aushärten lassen des Baustoffs und Ausschalen bzw. Entformen des aus dem synthetischen Baustoffs hergestellten Bauteils,

d) Anschließen der Elektroden an eine Steuerungselektronik.

Erfindungsgemäß wird das Verfahren zur Herstellung des kapazitiven Sensorsystems in das Herstellungsverfahren eines Bauteils aus einem synthetischen Baustoff eingebettet. Demzufolge unterscheidet sich das Verfahren danach, welcher Baustoff zum Einsatz kommt. Im Folgenden wird das Verfahren am Beispiel eines Bauteils aus dem synthetischen Baustoff Beton dargestellt, weshalb Fachbegriffe aus diesem Bereich verwendet werden, auch wenn das Verfahren auf vergleichbare Herstellungsverfahren beispielsweise für keramische Bauteile ähnlich anwendbar ist. Demzufolge wird in einem ersten Schritt die Sensorelektrode und ggf. die Schirmelektrode derart in einer Schalungseinrichtung positioniert, dass sie beim anschließenden Einbringen des Betons ihre Lage insbesondere gegen eine zukünftige Oberflä- che des herzustellenden Bauteils nicht verändert. Dazu können die Elektroden an einer nicht leitenden Bewehrung z. B. an einer Glasfasermatte oder mit nicht leitenden Elementen an einer herkömmlichen Bewehrung befestigt werden. Alternativ dazu können eigene Positionierungsmittel eingesetzt werden, an denen die Elektroden befestigt werden und die ihrerseits in der Schalungseinrichtung festgelegt werden. Die Konfektion der Elektroden zum Beispiel auf einem Positionierungsrahmen oder auf Bewährungsmatten erlaubt die wirtschaftliche Herstellung auch von großen und geometrisch komplexen Bauteilen. Insbesondere bei deren Herstellung kann es vorteilhaft sein, Positionierungsmittel zu verwenden, die noch vor Fertigstellen des Bauteils, beispielsweise vor dem Ausschalen eines Betonbauteils, aus der Schalungseinrichtung entnommen werden, um wiederverwendet werden zu können. Nach der lagegenauen Positionierung der Elektroden kann der Beton in die Schalungseinrichtung eingebracht werden. Trotz der dabei auftretenden Belastungen auf die Elektroden behalten sie ihre definierte Lage bei, auch wenn der Beton anschließend durch Rüttler verdichtet wird.

Auch im Übrigen erfolgt nun ein übliches Herstellungsverfahren für Betonbauteile, nämlich das Aushärten lassen des Betons und das Entschalen des Bauteils. Während damit das Bauteil vorerst fertiggestellt ist, werden anschließend die Elektroden des kapazitiven Sensorsystems an eine Steuerungselektronik angeschlossen, die ihrerseits ggf. mit einer Stromquelle und einer Erdung verbunden wird, sofern die Schirmelektroden nicht separat geerdet werden. Dieser letzte Schritt kann ggf. auch erst nach Einbau des Bauteils in seiner Endlage in einem Gebäude vorzunehmen sein.

Die eingangs genannte Aufgabe wird außerdem gelöst durch die Verwendung eines kapazi- tiven Sensors mit einem oben näher beschriebenen Sensorabschnitt aus einem Baustoff als manuell betätigbare Steuerungseinrichtung. Demnach kann das kapazitive Sensorsystem mit einem Aktor verbunden sein, der beispielsweise einen Bestandteil einer Haustechnik steuert. Unter Haustechnik kann so gut wie jede elektrisch betriebene Einrichtung in einem privat oder gewerblich benutzten Gebäude zu verstehen sein, worunter eine Belichtungs-, Belüf- tungs- oder Klimatisierungseinrichtung, ein Audio- oder ein Videosystem oder dergleichen verstanden werden kann. Das mit einem Aktor verbundene kapazitive Sensorsystem kann also beispielsweise einen Lichtschalter ersetzen oder eine Klimaanlage regeln. Denn unter Zufuhr bereits schwacher elektrischer Energie erzeugt die Sensorelektrode an der Bauteiloberfläche ein elektrisches Feld, dass sie in Folge einer Annäherung oder Berührung ändert. Die Feldänderung wird als Signal an eine signalverarbeitende Einheit in der Steuerungselektronik des Sensorsystems übermittelt und zu einem Steuerbefehl an den Aktor weitergeleitet. Damit kann durch einfache Berührung einer Bauteiloberfläche eine Beleuchtungseinrichtung aus- bzw. eingeschaltet werden. Durch Anordnung mehrerer Sensorelektroden oder Sensorsysteme nebeneinander lassen sich auf diese Weise Bedienfelder oder Schalttafeln ausbil- den, die neben einfachen Schaltvorgängen auch Dimm- oder sequenzielle Schaltfunktionen bieten können.

Das erfindungsgemäße System bietet den Vorteil eines geringen Energieverbrauchs, weil die Sensorelektrode sehr oberflächennah angebracht sein kann. Trotz ihrer Anbringung auf oder in einem Sensorabschnitt aus einem herkömmlichen Baustoff bietet die Erfindung eine hochgenaue Positionierung und Konfektionierung der Sensorelektrode.

Das Prinzip der Erfindung wird im Folgenden anhand einer Zeichnung beispielshalber noch näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Figur 1 a, b, c: Schematische Darstellungen für den Aufbau eines Sensorabschnitts, Figur 2: ein Betonelement mit Sensor- und Schirmelektrode in einer Explosionsansicht, und

Figur 3: Hilfsmittel zur Herstellung des Betonelements Die Figuren 1 a bis 1 c zeigen Schnitte dreier Sensorabschnitte 1 eines kapazitiven Sensorsystems in drei Grundformen. Gemeinsam ist den Figuren 1 a bis 1 c ein Sensorabschnitt 1 aus einem flachen Betonquader 2, in dem eine plattenformige Sensorelektrode 3 vollständig eingebettet ist. Sie ist mit einem Elektrodenanschluss 4 kontaktiert, der aus dem Betonquader 2 an einer seiner Oberseite 10 gegenüberliegenden Rückseite 1 1 herausläuft. Der ebenfalls plattenformige Betonquader 2 weist eine Dicke auf, die etwa der dreifachen Dicke der Sensorelektrode 3 entspricht. An ihren Randseiten überdeckt sie der Betonquader 2 um etwa das dreifache ihrer Dicke. Bei dem Betonquader 2 handelt es sich also um ein verhältnismä- ßig filigranes Bauteil, das die Sensorelektrode 3 dünnwandig ummantelt und in seiner äußeren Form derjenigen der Sensorelektrode 3 folgt.

Eine nicht dargestellte Steuerungselektronik und eine Stromquelle ergänzen den dargestellten Sensorabschnitt 1 zu einem kapazitiven Sensorsystem. Bei Anlage eines verhältnismäßig schwachen Storms am Elektrodenanschluss 4 erzeugt die Sensorelektrode 3 ein elektrostatisches Streufeld 5, das das Detektionsfeld der Sensorelektrode 3 darstellt. In einem mittleren Bereich der Sensorelektrode 3 zeigt es nahezu senkrecht einfallende Feldlinien 6, die an den Rändern 7 stark geneigt einfallen. Die senkrecht verlaufenden Feldlinien 6 definieren eine Detektionsrichtung R, die eine Wirkungsrichtung des kapazitiven Sensorsystems definiert. Gelangt ein in aller Regel geerdeter fester oder flüssiger Körper in das Streufeld 5, stellt er neben der Sensorelektrode 3 eine zweite Elektrode eines Kondensators dar, dessen Kapazität sich mit änderndem Abstand der Elektroden zueinander ebenfalls verändert. Mit Annäherung an den Sensorabschnitt 1 entgegen der Detektionsrichtung R oder mit einer Berührung des Sensorabschnitts 1 erfolgt also eine Spannungsänderung, die von der Steuerungselektronik erfasst und in ein Signal umgesetzt wird. Daraus lässt sich ein Steuerungsbefehl beispielsweise für einen Aktor generieren, der beispielsweise einen Schalter öffnet oder schließt.

Figur 1 a zeigt einen Sensorabschnitt 1 mit einer ungeschirmten Sensorelektrode 3. Gemäß Figur 1 b dagegen enthält der Sensorabschnitt 1 neben der Sensorelektrode 3 eine Schirmelektrode 8, die umfangseitig und damit an den schmalen Seitenrändern der plattenförmi- gen Sensorelektrode 3 angebracht ist. Die Schirmelektrode 8 verfügt über eine Erdung 9, die als isolierter Leiter aus dem Sensorabschnitt 1 herausführt. Sie dient dazu, die Inhomogenität des Feldes 5 an den Rändern 7 gemäß Figur 1 a zu unterbinden und das Streufeld 5 auf annähernd parallele Feldlinien 6 zu beschränken. Dabei steigt die Sensibilität des Sensorabschnitts 1 , sodass auch kleinere Veränderungen besser detektiert werden können bzw. bei gleicher Empfindlichkeit des Sensorsystems weniger Energie dafür erforderlich ist. Das Streufeld 5 des Sensorabschnitts 1 bildet sich an der Oberseite 10 und der Rückseite 1 1 in gleicher weise aus. Figur 1 c zeigt eine Schirmelektrode 8, die die plattenförmige Sensorelektrode 3 im Schnitt dreiseitig umgibt, womit das Streufeld 5 auf die Oberseite 10 des Sensorabschnitts 3 konzentriert ist. Auch sie verfügt über eine Erdung 9. Mit der Schirmelektrode 8 gemäß Figur 1 c kann eine weitere Effizienzsteigerung des Sensorsystems erreicht werden.

Für den Betonquader 2 lassen sich grundsätzlich alle bekannten Betonmischungen verwenden. Der Sensorabschnitt 1 aus dem Betonquader 2 und der darin eingebetteten Sensorelektrode 3 lässt sich wie ein herkömmliches Einbauteil, beispielsweise wie eine Betoneinbaudose für einen Schalter oder einen Beleuchtungskörper an der Schalung einer Betonwand oder deren Bewehrung anbringen oder in einem Ziegelmauerwerk integrieren. Fällt die Oberseite 10 des Betonquaders 2 mit der Oberfläche der zukünftigen Gebäudewand zusammen, definiert die Überdeckung der Sensorelektrode 3 gegenüber der Oberseite 10 die Lage der Sensorelektrode 3 relativ zur Bauteiloberfläche. Damit kann der Betonquader 2 quasi als Positionierungsmittel dienen, das die Überdeckung der Sensorelektrode 3 bzw. ihre relative Lage zu einer Funktionsoberfläche definiert. Sie beeinflusst die Ausbreitung und Intensität des Streufelds 5. Aber auch die Geometrie der Sensorelektrode 3, ihre Größe und die zugeführte elektrische Energie kann die Ausdehnung des von der Sensorelektrode 3 erzeugten elektrostatischen Streufelds 5 und damit den Grad der Berührungssensitivität des kapazitiven Sensorsystems definieren.

Figur 2 zeigt eine Explosionsdarstellung eines Sensorabschnitt 1 aus einem plattenförmigen Betonelement 20, in das vier rechteckige plattenförmige Sensorelektroden 22 und vier Schirmelektroden 24 eingebettet sind. Die Dicke des Betonelements 20 beträgt lediglich 20 mm, seine Länge ca. 1 m und seine Breite ca. 0,5 m. Die Figur 2 bietet eine Ansicht der Oberseite 10 des Sensorabschnitts 1 . Das Betonelement 20 ummantelt die vier nebeneinander angeordneten Schirmelektroden 24, die jeweils eine Sensorelektrode 22 rahmenförmig umgeben. Jede Sensorelektrode 22 besteht aus einem randseitig aufgekanteten Blech, das eine Vielzahl an kreisförmigen Durchbrüchen 27 aufweist. Sie sind im Einbauzustand der Sensorelektrode 22 mit Beton gefüllt und führen zu einer guten Verzahnung zwischen der Sensorelektrode 22 und dem Betonelement 20. An den randseitigen Aufkantungen 26 stehen laschenförmige Anschlüsse 23 der Sensorelektrode 22 ab. Aufgrund seiner Länge stehen sie aus einer in Figur 2 verdeckten Rückseite 1 1 des Betonelements 20 hervor, sodass sie bei der Herstellung des Sensorabschnitts 1 nicht von Beton umschlossen werden. Jede Sensorelektrode 22 ist insbesondere gegenüber der sie umgebenden Schirmelektrode 24 elektrisch isoliert, indem sie eine Kunststoff- Pulverbeschichtung trägt.

Die Schirmelektrode 24 ist prinzipiell ähnlich aufgebaut, wie die Sensorelektrode 22. Sie besteht ebenfalls aus einem gekanteten Blechmaterial, dessen randseitige Aufkantungen 28 der rahmenförmigen Schirmelektrode 24 Verwindungssteifigkeit verleihen. An den Aufkantungen 28 stehen laschenförmige Anschlüsse 25 über, die wie die Anschlüsse 23 der Sensorelektrode 22 aus dem zukünftigen Betonelement 20 herausragen und somit eine elektrische Kontaktierung der Schirmelektroden 24 ermöglichen. Auch die Schirmelektrode 24 verfügt über eine Kunststoff- Pulverbeschichtung als elektrische Isolierung und ist von einer Vielzahl von kreisförmigen Durchbrüchen 27 durchsetzt.

Figur 3 verdeutlicht die Herstellung des Betonelements 20 Überkopf in einer geeigneten Schalungseinrichtung 30. Eine Schalungswanne 31 legt die äußeren Abmessungen des Betonelements 20 nach Länge und Breite fest. In sie lässt sich ein Positionierungsrahmen 32 einsetzen, der sich mit randseitigen Bügeln 33 auf einem Rand 34 der Schalungswanne 31 abstützt, sodass er eine Bodenfläche 35 der Schalungswanne 31 nicht berührt. Damit hängt er quasi in die Schalungswanne 31 hinein. An unterseitig von ihm abstehenden und in die Schalungswanne 31 hineinragenden Zapfen 36 lassen sich die Schirmelektroden 24 an ihren Anschlüssen 25 befestigen. Die Sensorelektroden 22 sind über ihre Anschlüsse 23 an den Schirmelektroden 25 befestigt (nicht dargestellt). Der Positionierungsrahmen 32 hält damit die Sensorelektroden 22 und die Schirmelektroden 24 in einem genau definierten Abstand über der Bodenfläche 35 der Schalungswanne 31 . Er definiert damit eine Einbautiefe der Elektroden 22, 24 im Betonelement 20 bzw. deren Abstand von dessen Oberfläche 10 (Figuren 1 , 2).

Nach der Montage der Sensorelektroden 22 und der Schirmelektroden 24 im Positionierungsrahmen 32 und dessen Einsatz in der Schalungswanne 31 wird der Beton eingebracht. Aufgrund der zahlreichen Durchbrüche 27 in den Elektroden 22, 24 entsteht ein tragfähiger Verbund zwischen den Elektroden 22, 24 einerseits und dem zukünftigen Betonelement 20 andererseits. Zugleich wirken die Elektroden 22, 24 als Bewehrung des Betonelements 20. Lediglich die Anschlüsse 23, 25 der Elektroden 22, 24 stehen über eine Frischbetonoberfläche über, sodass sie und der Positionierungsrahmen 32 von Beton unberührt bleiben. Nach Erreichen einer ausreichenden Steifigkeit des Betons kann der Positionierungsrahmen 32 entfernt werden und für einen nachfolgenden Herstellungsschritt wiederverwendet werden. Nach dem vollständigen Aushärten des Betons in der Schalungswanne 31 kann das Betonelement 20 ausgeschalt werden und steht für einen bestimmungsgemäßen Einsatz als Sensorabschnitt 1 zur Verfügung. Da es sich bei den vorhergehenden, detailliert beschriebenen Sensorabschnitten 1 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 Elektroden 22, 24 in anderer geometrischer Form als in der hier beschriebenen erfolgen. Ebenso kann der Sensorabschnitt 1 aus ande- ren Materialien ausgebildet und ebenfalls in einer anderen geometrischen Form ausgestaltet werden, wenn dies aus Platzgründen bzw. designerischen Gründen notwendig ist. Weiterhin schließt die Verwendung der unbestimmten Artikel„ein" bzw.„eine" nicht aus, dass die betreffenden Merkmale auch mehrmals oder mehrfach vorhanden sein können.

Bezugszeichenliste

1 Sensorabschnitt

2 Betonquader

3 Sensorelektrode

4 Elektrodenanschluss

5 Streufeld

6 Feldlinien

7 Pole

8 Schirmelektrode

9 Erdung

10 Oberseite

1 1 Rückseite

20 Betonelement

22 Sensorelektrode

23 Anschluss

24 Elektrode

25 Anschluss

26 Aufkantung

27 Brüche

28 Aufkantung

30 Schalungseinrichtung/Gussform

31 Schalungswanne

32 Positionierungsrahmen

33 Bügel

34 Rand

35 Bodenfläche

36 Zapfen

R Detektionsrichtung

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1 . Kapazitives Sensorsystem mit einer Sensorelektronik und mit einem Sensorabschnitt (1 ) aus einem synthetischen Baustoff, der eine in den Baustoff eingebettete Sensorelektrode

(3; 22) umfasst.

2. Sensorsystem nach Anspruch 1 mit einer Detektionsrichtung (R), gekennzeichnet durch eine die Sensorelektrode (3; 22) zumindest in einer zur Detektionsrichtung (R) orthogo- nalen Ebene umgebenden Schirmelektrode (8).

3. Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelektrode (3; 22) und/oder die Schirmelektrode (8; 24) elektrisch isoliert ist/sind.

4. Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch Positionierungsmittel (32), die mit der/den Elektrode(n) (3; 8; 22; 24) gekoppelt sind und deren Lage im Sensorabschnitt (1 ) definieren.

5. Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch polymermodi- fizierten Beton oder Polymerbeton.

6. Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch mehrere Sensorelektroden (3; 22) mit sich überlappenden Streufeldern (5).

7. Sensorsystem nach einem der Ansprüche 3 bis 6, gekennzeichnet durch die Anordnung mehrerer Sensorelektroden (3; 22) und Schirmelektroden (8) in derselben Ebene nebeneinander zur Ausbildung eines Bedienfelds auf einer Bauteiloberfläche.

8. Sensorsystem nach einem der obigen Ansprüche mit einem bewehrten Sensorabschnitt und einer elektrischen Kontaktierung der Bewehrung.

9. Sensorsystem nach dem obigen Anspruch, gekennzeichnet durch eine elektrisch Untergliederung der Bewehrung in Teilabschnitte.

10. Sensorsystem nach dem Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet durch eine flächig ausgebildete Bewehrung mit in unterschiedliche Richtungen und in einem Winkel zueinander verlaufenden Bewehrungssträngen, wobei gleichgerichtete Bewehrungsstränge von in dem Winkel zu ihnen verlaufenden Bewehrungssträngen elektrisch getrennt sind.

1 1 . Sensorsystem nach dem obigen Anspruch, gekennzeichnet durch eine Mattenbewehrung aus Carbonfasermatten.

12. Sensorsystem nach Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet durch Abstandsgewirke aus leitfähigem Material als Bewehrung.

13. Verfahren zum Herstellen eines kapazitiven Sensors mit einer in einen synthetischen Baustoff eingebetteten Sensorelektrode (3; 22), mit den folgenden Schritten:

a) Positionieren der Sensorelektrode (3; 22) und/oder einer Schirmelektrode (8; 24) in einer Schalungseinrichtung/Gussform (30),

b) Einbringen des synthetischen Baustoff in die Schalungseinrichtung (30),

c) Aushärten lassen des Baustoff und Ausschalen/Entformen des Bauteils,

d) Anschließen der Elektroden (22; 24) an eine Steuerungselektronik.

14. Verwendung eines kapazitiven Sensors mit einem Sensorabschnitt aus einem Baustoff nach einem der Ansprüche 1 bis 7 als manuell betätigbare Steuerungseinrichtung insbesondere für Haustechnik.