LV15477B

LV15477B - ACTIVE SENSOR FOR DETECTING LIQUID LEAKS CONTAINING TEXTILE MATERIAL

Info

Publication number: LV15477B
Application number: LVP-18-62
Authority: LV
Inventors: VALIŠEVSKIS Aleksandrs; BRIEDIS Uģis
Original assignee: Rīgas Tehniskā Universitāte
Filing date: 2018-06-29
Publication date: 2021-05-20

Abstract

Izgudrojums attiecas uz elektronikas nozari, konkrētāk uz sensoriem, kas detektē šķidruma noplūdi un paredzēti savienošanai ar elektroniskām ierīcēm. Piedāvāts sensors šķidruma noplūžu detektēšanai, kas satur anoda elektrodu (1) un katoda elektrodu (2), starp kuriem šķidruma klātbūtnē rodas elektroķīmiskā reakcija, kas atšķiras ar to, ka anoda elektrods (1) ir izgatavots no tekstilmateriāla ar alumīnija pārklājumu, katoda elektrods (2) ir izgatavots no tekstilmateriāla ar sudraba pārklājumu un ir ievietots katoda kokvilnas apvalkā (5), kas ietver ogles granulu un NaCI maisījumu (3), turklāt katoda elektrods (2) un anoda elektrods (1) ir ievietoti tekstila apvalkā (4). Izgudrojums izmantojams viedajās tekstilijās, piemēram, bērnu enurēzes paklājiņos, autiņbiksītēs vai saldētu produktu pārraudzībā.The invention relates to the electronics industry, more specifically to sensors that detect liquid leaks and are intended for connection to electronic devices. A sensor for detecting liquid leaks is proposed, which contains an anode electrode (1) and a cathode electrode (2), between which an electrochemical reaction occurs in the presence of a liquid, which differs in that the anode electrode (1) is made of textile material with an aluminum coating, the cathode electrode ( 2) is made of silver-coated textile material and is placed in a cathode cotton sheath (5) that includes carbon pellets and a mixture of NaCI (3), and the cathode electrode (2) and anode electrode (1) are placed in a textile sheath (4). The invention can be used in smart textiles, for example, in children's enuresis mats, diapers or in the monitoring of frozen products.

Description

IZGUDROJUMA APRAKSTSDESCRIPTION OF THE INVENTION

[001] Izgudrojums attiecas uz elektrotehnikas nozari, konkrēti - uz sensoriem, kas paredzēti savienošanai ar elektroniskām ierīcēm. Izgudrojuma lietošanas joma ir šķidruma noplūžu detektēšana. Daži no iespējamiem lietojumiem ir elektrību ģenerējošs šķidruma sensors viedapģērbos, viedajās tekstīlijās (piemēram, bērnu enurēzes paklājiņi, autiņbiksītes) un saldētu produktu pārraudzībā.The invention relates to the field of electrical engineering, in particular to sensors for connection to electronic devices. The field of application of the invention is the detection of liquid leaks. Some of the possible applications are an electrically generating liquid sensor in smart clothes, smart textiles (eg children's enuresis mats, diapers) and in the monitoring of frozen products.

Zināmais tehnikas līmenisPrior art

[002] Ir zināms pasīvs šķidruma sensors tekstilizstrādājumos [1-3], kas izšūts ar elektrību vadošiem pavedieniem (vai piešūts), kas sastāv no divām elektrodu grupām, kuras var būt izvietotas vienā vai vairākos līmeņos (ar izolācijas starpslāni), kuras sausā stāvoklī nav elektriski savienotas un starp kurām šķidruma klātbūtnē rodas elektriskais savienojums. Šī sensora barošanai ir nepieciešams ārējais elektrības avots. Kā sistēmas enerģijas avots tiek izmantota LiPo (litija-polimēra) baterija. Šī risinājuma trūkums ir LiPo baterijas bīstamība lietotājam, robustums, turklāt baterija ik pēc laika ir jāuzlādē.A passive liquid sensor is known in textiles [1-3] embroidered with electrically conductive threads (or sewn), consisting of two groups of electrodes, which can be arranged in one or more levels (with an insulating interlayer), which in the dry state are not electrically connected and between which an electrical connection is made in the presence of a liquid. An external power source is required to power this sensor. A LiPo (lithium-polymer) battery is used as the system's power source. The disadvantage of this solution is the danger of the LiPo battery to the user, its robustness, and the battery must be charged from time to time.

[003] Ir zināms elektriskās strāvas avots [4; 5], kura darbības pamatā ir elektroķīmiskā reakcija starp alumīniju un skābekli ar elektrolīta starpniecību (alumīnija-gaisa baterija). Šīm baterijām piemīt relatīvi augstais teorētiskais spriegums un enerģijas blīvums. Al-gaisa baterijās alumīnijs parasti ir folijas vai sietiņa veidā, bet kā gaisa slāni izmanto elektrovadošu materiālu (Cu, Ag u.c.) ar gaisu saturošu ogļu slāni.A source of electric current is known [4; 5], which is based on the electrochemical reaction between aluminum and oxygen by means of an electrolyte (aluminum-air battery). These batteries have a relatively high theoretical voltage and energy density. In Al-air batteries, aluminum is usually in the form of a foil or mesh, but an electrically conductive material (Cu, Ag, etc.) with an air-containing carbon layer is used as the air layer.

[004] Alumīnija-gaisa baterijas galvenās sastāvdaļas ir alumīnija anods, gaisa katods, elektrolīts un cietais korpuss, kas ietver visas sastāvdaļas [6; 7]. Šāda tipa baterijas nav paredzēts izmantot kā šķidruma sensorus, jo visas to sastāvdaļas ir ievietotas hermētiskā korpusā. Lai alumīnija-gaisa bateriju varētu izmantot kā elektrību ģenerējošu šķidruma sensoru, elektrodi ir jāatdala no elektrolīta. Arī cietais korpuss nav piemērots izmantošanai viedajos tekstilizstrādājumos, kā arī nespēj sniegt lokana korpusa sniegtās priekšrocības.The main components of an aluminum-air battery are an aluminum anode, an air cathode, an electrolyte, and a solid housing that includes all the components [6; 7]. Batteries of this type are not intended to be used as liquid sensors, as all their components are housed in an airtight housing. The electrodes must be separated from the electrolyte in order for the aluminum-air battery to be used as an electrically generating liquid sensor. The solid body is also not suitable for use in smart textiles, nor can it provide the benefits of a flexible body.

[005] Nav zināms šķidruma sensors izmantošanai viedajās tekstilijās, kas aktivizējas, nonākot saskarē ar šķidrumu (piemēram, ar cilvēka fizioloģisko šķidrumu vai ar kušanas ūdeni, kas rodas saldētavu darbības traucējumu rezultātā), un sāk radīt elektrisko strāvu.It is not known for a liquid sensor for use in smart textiles that activates upon contact with a liquid (e.g., human physiological fluid or melt water resulting from freezer malfunctions) and begins to generate an electric current.

Izgudrojuma mērķis un būtībaPurpose and essence of the invention

[006] Izgudrojuma mērķis ir radīt jaunu elektrību ģenerējošu šķidruma sensoru, kas šķidruma klātbūtnē sāk patstāvīgi radīt elektrisko strāvu. Tas ļauj veidot elektriskās shēmas, kurās elektrības padevi nodrošina pats sensors, kas ir īpaši svarīgi tādiem produktiem, kuros nav vēlams izmantot bīstamas un/vai kaitīgas vielas, piemēram, bērnu aprūpes precēs, kā arī produktiem, kurus paredzēts ilgstoši uzglabāt konvenciālām baterijām nelabvēlīgos apstākļos, piemēram, zemā vai augstā temperatūrā.The object of the invention is to provide a new electricity-generating liquid sensor which, in the presence of a liquid, begins to generate an electric current independently. This allows the development of electrical circuits in which the power supply is provided by the sensor itself, which is particularly important for products where the use of hazardous and / or noxious substances is undesirable, such as childcare articles, and for products intended for long-term storage under conventional battery conditions, such as at low or high temperatures.

[007] Izgudrojuma mērķis ir sasniegts šādi: elektrību ģenerējošs tekstila šķidruma sensors ietver lokanu tekstila apvalku, kurā ir izvietoti lokani elektrodi, kas veidoti no tekstilmateriāliem, kā arī citas sastāvdaļas, kuras ļauj saglabāt lokanību, piemēram, ogles granulas. Šāds risinājums padara elektrodus neaktīvus līdz brīdim, kamēr tie nenonāks saskarē ar šķidrumu, kas kalpos kā elektrolīts, šajā gadījumā elementi (anoda un katoda elektrodi) aktivizējas un sensors sāk radīt elektrisko strāvu.The object of the invention is achieved as follows: the electrically generating textile liquid sensor comprises a flexible textile housing in which flexible electrodes made of textile materials are arranged, as well as other components which allow to maintain flexibility, such as carbon granules. This solution deactivates the electrodes until they come into contact with the liquid that will serve as the electrolyte, in which case the elements (anode and cathode electrodes) are activated and the sensor begins to generate an electric current.

[008] No zināmiem risinājumiem izgudrojums atšķiras ar šādām pazīmēm:The invention differs from the known solutions in the following features:

1) Sensors ir lokans un ir ievietots tekstilmateriāla apvalkā, kas nodrošina tekstilmateriālam līdzīgu taktilo uztveri.1) The sensor is flexible and is housed in a textile casing that provides a textile-like tactile detection.

2) Salīdzinājumā ar pasīviem šķidruma sensoriem: pats elements, ja tam pievieno šķidrumu, rada elektrisko strāvu, kas gan uzlabo signāla kvalitāti, gan paver iespēju uzkrāt enerģiju un projektēt elektriskās ķēdes bez atsevišķiem elektrības avotiem (atsevišķa sensora izejas spriegums ir 0,6-0,8 V).2) Compared to passive liquid sensors: when the liquid is added to it, the element itself generates an electric current, which both improves the signal quality and opens the possibility to store energy and design electrical circuits without separate electrical sources (separate sensor output voltage is 0.6-0 .8 V).

3) Salīdzinājumā ar elektroķīmiskiem elektriskās strāvas avotiem (LiPo u.c. uzlādējamās baterijas): nesatur cilvēkam un/vai videi kaitīgas vielas; nav ierobežots derīguma termiņš neaktīvā stāvoklī - pirms aktivizācijas sensors var ilgstoši glabāties ķīmiskiem elektrības avotiem (baterijām un akumulatoriem) nelabvēlīgos apstākļos, piemēram, zemā temperatūrā (zem -20 °C) vai augstā temperatūrā (virs +50 °C). Sensors aktivizējas tikai tad, kad tas nonāk saskarē ar šķidrumu, un izpilda nepieciešamo funkciju, piemēram, padod skaņas/vizuālo signālu, maina e-papīra displeja stāvokli.3) Compared to electrochemical sources of electrical power (LiPo, etc. rechargeable batteries): does not contain substances harmful to humans and / or the environment; unlimited expiration date - before activation, the sensor can be stored for a long time under adverse conditions of chemical electricity sources (batteries and accumulators), such as low temperature (below -20 ° C) or high temperature (above +50 ° C). The sensor only activates when it comes into contact with a liquid and performs the required function, such as providing an audible / visual signal, changing the position of the e-paper display.

4) Pastāv iespēja izmantot sensoru atkārtoti, nožāvējot sensora elektrodus, bet pēc alumīnija izlietošanas - nomainot alumīnija tekstila (tekstilmateriāls ar alumīnija pārklājumu) elektrodu.4) It is possible to reuse the sensor by drying the sensor electrodes, but after using the aluminum - by replacing the aluminum textile (aluminum-coated textile) electrode.

5) Ļauj izvairīties no potenciāli bīstamu un toksisku strāvas avotu izmantošanas sistēmās, kurās šādu elementu izmantošana nav vēlama, piemēram, sistēmās, kas atrodas bērnu tiešā tuvumā gulēšanas laikā.5) Avoid the use of potentially hazardous and toxic power sources in systems where the use of such elements is not desirable, such as systems in the immediate vicinity of children during sleep.

[009] Izgudrojuma būtības atklāsmei ir pievienoti šādi zīmējumi:[009] The following drawings are attached to the revelation of the essence of the invention:

1. zīm. Elektrību ģenerējoša tekstila šķidruma sensora konstrukcijas shēma: Al tekstilmateriāls (anoda elektrods) (1), Ag tekstilmateriāls (katoda elektrods) (2), ogles granulu un NaCl maisījums (3), sensora tekstilmateriāla apvalks (4), katoda tekstilmateriāla apvalks (5), diegu savienojumi (6) katoda tekstilmateriāla apvalka (5) un sensora tekstilmateriāla apvalka (4) montāžai, spiedpogas (7).Fig. 1 Structure diagram of sensor for generating electric textile liquid: Al textile (anode electrode) (1), Ag textile (cathode electrode) (2), mixture of carbon granules and NaCl (3), sensor textile housing (4), cathode textile housing (5) , thread connections (6) for mounting the cathode textile cover (5) and the sensor textile cover (4), pushbuttons (7).

2. zīm. 20x20 mm sensora strāvas-sprieguma raksturlīkne.Fig. 2 20x20 mm sensor current-voltage curve.

Izgudrojuma realizācijas piemērsExample of realization of the invention

[010] Elektrību ģenerējošs tekstilmateriāla šķidruma sensors sastāv no vairākiem slāņiem (1. zīm.), kas nodrošina tā funkcionalitāti. Apakšējo slāni veido alumīnija anoda elektrods (1), kas izgatavots no tekstilmateriāla ar alumīnija pārklājumu. Virs alumīnija anoda elektroda atrodas katoda pakete, kas sastāv no katoda tekstilmateriāla apvalka (5) no kokvilnas drānas, kurā ir ietverts ogles granulu un NaCl maisījums (3) attiecībā 10:1 (biezums 1,5 mm) un no Ag tekstila (tekstilmateriāls ar sudraba pārklājumu) veidots katoda elektrods (2). Ogles granulām ir piemaisīts NaCl, lai uzlabotu detektējamā šķidruma elektrolītiskās spējas.[010] The electrically generating textile liquid sensor consists of several layers (Fig. 1), which ensure its functionality. The bottom layer consists of an aluminum anode electrode (1) made of aluminum-coated textile material. Above the aluminum anode electrode is a cathode package consisting of a cathode textile sheath (5) made of a cotton cloth containing a 10: 1 mixture of carbon granules and NaCl (3) (thickness 1.5 mm) and an Ag textile (textile with silver plated) cathode electrode (2). The carbon granules are mixed with NaCl to improve the electrolytic capacity of the detected liquid.

[011] Katoda paketi veido, ieliekot katoda tekstilmateriāla apvalka (5) no kokvilnas drānas apakšējo daļu slēgdūriena izšūšanas mašīnas rāmī, uzber ogļu slāni, uzliek Ag tekstilu (2), uzber vēl vienu ogļu slāni un uzliek katoda tekstilmateriāla apvalka (5) no kokvilnas drānas augšējo daļu. Nobeigumā saskaņā ar programmu, kas veidota ar izšūšanas datorprogrammu, sašuj kopā katoda paketi. Al anoda elektrods (1) un katoda pakete (2, 3 un 5) ir ievietoti sensora tekstilmateriāla apvalkā (4) no kokvilnas drānas, kas veidots uz slēgdūriena izšūšanas mašīnas saskaņā ar izšūšanas programmu. Katoda tekstilmateriāla apvalka (5) un sensora tekstilmateriāla apvalka (4) montāžai izmanto diegu savienojumus (6): katru no apvalkiem atsevišķi sašuj ar diegu savienojumiem (6) ar izšūšanas mašīnu.The cathode package is formed by inserting a cathode textile cover (5) from the lower part of a cotton cloth into the frame of a stitching machine, applying a layer of carbon, applying an Ag textile (2), applying another layer of carbon and applying a cathode textile cover (5) of cotton. the upper part of the cloth. Finally, according to a program created with an embroidery computer program, a cathode package is sewn together. The anode electrode (1) and the cathode package (2, 3 and 5) are housed in a sensor textile sheath (4) made of a cotton cloth formed on a closure embroidery machine according to an embroidery program. Thread connections (6) are used to assemble the cathode textile sheath (5) and the sensor textile sheath (4): each of the sheaths is sewn separately with thread connections (6) with an embroidery machine.

[012] Kā anoda elektroda (1) un katoda elektroda (2) savienošanas elementu izmanto tekstilmateriāliem paredzētu metāla spiedpogu (7) aizdari, kas veido elektrisko kontaktu attiecīgi ar anoda elektrodu un katoda elektrodu. Šī konstrukcija nodrošina gan sensora lokanību, gan tekstilmateriālam līdzīgu taktilo uztveri.As a connecting element of the anode electrode (1) and the cathode electrode (2), a fastening of metal pushbuttons (7) for textiles is used, which form an electrical contact with the anode electrode and the cathode electrode, respectively. This design provides both sensor flexibility and textile-like tactile perception.

[013] Elektrību ģenerējoša tekstilmateriāla šķidruma sensora darbības princips: miera stāvoklī visi sensora elementi ir sausi un tāpēc elektroķīmiskās reakcijas tajā nenotiek. Kad sensors nonāk saskarē ar šķidrumu, kas darbojas kā elektrolīts, sensors aktivizējas, radot ķēdē elektriskās strāvas plūsmu. Sensorā iekļautā sāls (NaCl) izšķīst un uzlabo sensora raksturlielumus. Sensors darbojas pēc alumīnija-gaisa baterijas principa. Strāvas turpmākā izmantošana ir atkarīga no lietojuma - signālu var uztvert ārējā elektroniskā sistēma, vai arī radīto elektrību var uzkrāt un izmantot elektronisku elementu (gaismas diodes, mikrokontrolieri, WiFi/BT/RF raidītāji u.c.) autonomai darbināšanai. Sensors darbojas tik ilgi, kamēr tā elektrodi saskaras ar elektrolītu (apmēram 120 minūtes).[013] Principle of operation of a liquid-generating textile liquid sensor: at rest, all sensor elements are dry and therefore no electrochemical reactions take place. When the sensor comes in contact with a liquid that acts as an electrolyte, the sensor activates, creating an electric current in the circuit. The salt (NaCl) in the sensor dissolves and improves the sensor's characteristics. The sensor works on the principle of an aluminum-air battery. The future use of power depends on the application - the signal can be received by an external electronic system, or the generated electricity can be stored and used for autonomous operation of electronic elements (LEDs, microcontrollers, WiFi / BT / RF transmitters, etc.). The sensor operates as long as its electrodes are in contact with the electrolyte (approximately 120 minutes).

[014] Pamatojums tehniskam efektam: 2. zīmējumā ir parādīta strāvas-sprieguma raksturlīkne pie dažādām ķēdes pretestībām, sākot no nenoslēgtas ķēdes ar spriegumu 0,7 V līdz īssavienojuma strāvai 23 mA, kas iegūta eksperimentos ar 20x20 mm lielu sensoru, kā elektrolītu izmantojot ūdens un NaCl 17 % šķīdumu. Starppunktu vērtību iegūšanai tika izmantoti rezistori ar nominālo pretestību 22, 65, 100, 220, 1000 un 2200 omi. Tas atbilst apakšējam līmenim, kas ļauj darbināt pusvadītāju mikrokontrolierus, izmantojot iebūvētu zema sprieguma būsterpārveidotāju [8]. Ja elektriskajā ķēdē izmantojamajiem elementiem ir nepieciešams augstāks spriegums, var izmantot ārējos zema sprieguma pārveidotājus [9], kas ļauj izmantot elektronisko sistēmu bez ārējiem barošanas avotiem.[014] Justification for the technical effect: Figure 2 shows the current-voltage characteristic at different circuit resistances, from an open circuit with a voltage of 0.7 V to a short-circuit current of 23 mA obtained in experiments with a 20x20 mm sensor using water as electrolyte. and 17% NaCl solution. Resistors with nominal resistances of 22, 65, 100, 220, 1000 and 2200 ohms were used to obtain intermediate point values. This corresponds to the lower level that allows the operation of semiconductor microcontrollers using a built-in low voltage converter [8]. If the components used in the electrical circuit require a higher voltage, external low-voltage converters [9] may be used, which allow the use of an electronic system without external power supplies.

Izmantotie informācijas avotiUsed information sources

1. Briedis, U., Vališevskis, A., Grecka, M. Development of a Smart Garment Prototype with Enuresis Alarm Using an Embroidery-machine-based Technique for the Integration of Electronic Components. Procedia Computer Science, 2016, Vol.104, 369. -374.lpp. ISSN 1877-0509. Pieejams: doi:10.1016/j.procs.2017.01.1471. Briedis, U., Vališevskis, A., Grecka, M. Development of a Smart Garment Prototype with Enuresis Alarm Using an Embroidery-machine-based Technique for the Integration of Electronic Components. Procedia Computer Science, 2016, Vol.104, pp. 369. -374. ISSN 1877-0509. Available: doi: 10.1016 / j.procs.2017.01.147

2. ASV patenta pieteikums US20170089853A1.2. U.S. Patent Application US20170089853A1.

3. T. Pereira, P. Silva, H. Carvalho, M. Carvalho. Textile moisture sensor matrix for monitoring of disabled and bed-rest patients. EUROCON - International Conference on Computer as a Tool (EUROCON), 2011 IEEE.3. T. Pereira, P. Silva, H. Carvalho, M. Carvalho. Textile moisture sensor matrix for monitoring of disabled and bed-rest patients. EUROCON - International Conference on Computer as a Tool (EUROCON), 2011 IEEE.

4. Li, Q., Bjerrum, N.J. Aluminum as anode for energy storage and conversion: a review. Journal of Power Sources 110 (2), pp. 1-10, 2002. ISSN: 03787753.4. Li, Q., Bjerrum, N.J. Aluminum as anode for energy storage and conversion: a review. Journal of Power Sources 110 (2), pp. 1-10, 2002. ISSN: 03787753.

5. Yang, S., Knickle, H. Design and analysis of aluminum/air battery system for electric vehicles. Journal of Power Sources 112 (1), pp. 162-173, 2002. ISSN: 03787753.5. Yang, S., Knickle, H. Design and analysis of aluminum / air battery system for electric vehicles. Journal of Power Sources 112 (1), pp. 162-173, 2002. ISSN: 03787753.

6. ASV patents US5004654A.6. U.S. Patent US5004654A.

7. Ķīnas patents CN2518227Y.7. Chinese patent CN2518227Y.

8. ATtiny43U - 8-bit AVR Microcontroller with 4K Bytes In-System Programmable Flash and Boost Converter. Data Sheet, Rev. 8048C-AVR-02/12, 2012.8. ATtiny43U - 8-bit AVR Microcontroller with 4K Bytes In-System Programmable Flash and Boost Converter. Data Sheet, Rev. 8048C-AVR-02/12, 2012.

9. ADP5090 - Analog Devices Ultralow Power Boost Regulator with MPPT and Charge Management. Data Sheet, Rev. A, 2014.9. ADP5090 - Analog Devices Ultralow Power Boost Regulator with MPPT and Charge Management. Data Sheet, Rev. A, 2014.

Claims

An electrode-generating liquid sensor comprising an anode electrode (1) and a cathode electrode (2), between which an electrochemical reaction occurs in the presence of a liquid, characterized in that the anode electrode (1) is made of a textile material coated with aluminum, the cathode electrode (2) is made of a silver-coated textile and is placed in a cathode textile sheath (5) of a cotton cloth comprising a mixture of carbon granules and NaCl (3), and the cathode electrode (2) and the anode electrode (1) are placed in a sensor textile in a jacket (4) of cotton cloth.