SYSTEM MIT SENSOREN ZUR DETEKTION UND ORTUNG EINER BENETZUNG VON FLACHEN MIT FLÜSSIGEN MEDIEN
Die Erfindung betrifft ein System mit Sensoren zur Detektion und Ortung einer 5 Benetzung von Flächen mit flüssigen Medien und Sensoren.
Es ist bekannt, Leckagen in Rohrleitungen festzustellen und zu orten. Es ist auch bekannt, solche Ortungen auf die Überwachung von Räumen zu erstrecken (DE 198 05 263.4 Fig. 8). Es hat sich gezeigt, dass die bisher bekannten Mittel 10 zwar geeignet sind, Leckagen festzustellen und zu orten, doch können sie in begehbaren Örtlichkeiten und besonders während der Bauzeit Anlass zu Stolper- Unfällen werden, dadurch zerrissen werden und nach Leckagen so verschmutzt sein, dass sie ausgewechselt werden müssen.
15 Es ist auch bekannt, bestimmte Lösungen wie MEK zu detektieren (USPS 4,896,527). Zu diesem Zweck sind dort die detektierenden Leiter durch eine wasserabweisende, elektrisch isolierende Schicht abgedeckt, auf der eine leitfähige, poröse Schicht aus Kohlepulver angeordnet ist. Eine solche Lösung würde durch die poröse leitfähige Abdeckung hindurchgehen und die isolierende
20 Schicht auflösen, wodurch die Lösung detektiert werden kann. Anschließend muss allerdings das zerstörte System erneuert werden. Ohne Zerstörung der isolierenden Schicht ist keine Detektion möglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System mit Sensoren zur 25 Detektion und Ortung einer Benetzung von Flächen mit flüssigen Medien, dafür geeignete Sensoren und Sensorik zu schaffen, die leichte Reinigung ermöglicht, Unfälle weitgehend unmöglich macht und vor Zerstörung schützt. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 definierte Erfindung Systems mit Sensoren und durch die im Anspruch 33 definierte Erfindung großflächiger Sensoren gelöst. 30 Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.
Im Prinzip besteht die Erfindung bei einem System mit Sensoren zur Detektion und Ortung einer Benetzung von Flächen mit flüssigen Medien darin, dass eine
35 isolierend ausgebildete längliche Grundfläche vorgesehen ist, dass auf der
Grundfläche nebeneinander zwei niederohmige Leiter angeordnet sind, und dass die beiden Leiter durch eine im wesentlichen wasserundurchlässige Abdeckschicht geringer Leitfähigkeit abgedeckt sind, deren Leitfähigkeit bei Benetzung größer wird. Die Sensoren sind großflächig ausgebildet und die geringfügig leitende Abdeckschicht hat bei einer durch die Benetzung größer werdenden Benetzungsfläche für einen Stromdurchfluss einen entsprechend größer werdenden Querschnitt.
Die Grundfläche für einen solchen Sensor enthält ein nicht leitendes flexibles Trägermaterial. Die beiden Leiter sind vorzugsweise als gedruckte Schaltung ausgebildet und können als Folien auf die Grundfläche aufgebracht sein. Die beiden Leiter sind kammförmig ausgebildet, mit dem Kammrücken in Längsrichtung als durchgehender Leitungsstrang und den Kammzinken in Querrichtung und so miteinander berührungsfrei verschachtelt, dass sie eine relativ große Fläche mit geringem gegenseitigen Abstand einnehmen. Die Leitungsstränge der beiden Kammrücken können weit auseinanderliegen, beispielsweise 40 - 50 cm. Die Leiter der Kammzinken sind miteinander verschachtelt und haben voneinander einen insbesondere definierten, kleinen Abstand. Die Grundfläche für die Leiter ist sehr breit bemessen, beispielsweise etwas breiter als die von den Leitern eingenommenen Bereiche. Die Länge der Grundfläche ist nahezu unbegrenzt wählbar. Bei vorfabrizierter, flexibler Grundfläche mit nach Art gedruckter Schaltungen aufgebrachten Leitern und darauf angeordneter Abdeckschicht kann ein solcher Sensor als bandförmiger Sensor in der Form einer Rollenware angeliefert werden, von der die jeweils benötigten oder nicht benötigten Längen abgeschnitten werden. Vor Ort sind dann nur noch die Verlegearbeiten durchzuführen und die Kontakte und Leitungen für die Betriebsspannung und die Messeinrichtung anzubringen. Vorzugsweise sollte die Gesamtfläche eines solchen Sensors größer sein als 2 m2 , was beispielsweise bei einer Länge von zwei Metern und einer Breite von 50 cm gegeben wäre. Durch eine solche Bemessung wird eine großräumige Überwachung von Räumen ermöglicht, was mit kleinformatigen elektronischen Sensorbauteilen nicht erreichbar ist.
Die Abdeckschicht geringer Leitfähigkeit ist so beschaffen, dass sie ihre Leitfähigkeit proportional zu einer Flächenbenetzung ändert. Bei Nichtbenetzung ist die Leitfähigkeit sehr gering. Die Abdeckschicht sollte aber nicht beide Leiter
so überdecken, dass ein ungewollter Kriechstrom bewirkt wird. Erst bei einer Flächenbenetzung wird ein Querwiderstand über die die beiden Leiter bedeckende Abdeckschicht und den Benetzungsweg wirksam. Die Abdeckschicht hat eine im wesentlichen glatte Oberfläche und benötigt keine Perforationen. Sie ist daher leicht zu reinigen. Sollten doch Perforationen vorhanden sein, wie es durch Beschädigungen möglich ist, so haben diese keinen großen Einfluss, da erst die Benetzung größerer Flächen eine Anzeige für die Ortung bewirkt. Die beiden Leiter haben nämlich in Längsrichtung einen Widerstandswert, der zusammen mit dem Querwiderstand nach dem Prinzip des unbelasteten Spannungsteilers eine Ortung ermöglicht, sobald die beiden Leiter über die benetzte Abdeckschicht elektrisch verbunden werden. Da die elektrische Verbindung über die benetzte Abdeckschicht einen Widerstand hat, der von der Größe der benetzten Fläche und dem Widerstand des Benetzungsquerschnitts abhängt, kann in dem System eine Messschwelle vorgesehen sein, die eine automatische Ortung erst von einer vorbestimmbaren Größe der benetzten Fläche an vornimmt.
Es kann eine Messung der Widerstandsveränderung vorgesehen sein, die eine Feststellung der Veränderung der Größe der benetzten Fläche und/oder der Veränderungsgeschwindigkeit anzeigt.
Die Abdeckschicht ist vorzugsweise ein Kunststoff ohne metallische Bestandteile. Diese können daher von den Leckageflüssigkeiten auch nicht ausgewaschen und nicht korrodiert werden und Fehler bewirken. Die Leiter der verlegten Sensoren werden über Kontaktplatten mit externen Messleitungen verbunden. Diese Kontaktplatten können mit Mitteln zu Verringerung eines Übergangswiderstandes der Kontaktplatten vorgesehen sein, wie Leitlack, Leitkleber oder dergleichen.
Der für eine erforderliche Länge vorbereitete bandförmige Sensor wird vor Fertigstellung des Raumes im Boden verlegt oder nach Fertigstellung einer gefährdeten Rohrleitung oder dergleichen unter diese geschoben.
Mehrere vorbereitete Längen, beispielsweise aus verschiedenen Räumen werden vorzugsweise hintereinandergeschaltet und gemeinsam der Messung unterworfen, da die Ortung ja die Fehlerquelle genau angibt.
Die Abdeckschicht und die Grundfläche haben eine im wesentlichen glatte und leicht zu reinigende Oberfläche und sind so miteinander verbunden , dass Flüssigkeit nicht dazwischen gelangen kann. Diese Verbindung kann an den Rändern, aber auch zwischen den einander gegenüberliegenden Leitern erfolgen. Zur Verbesserung der Haftung der Leiter auf der Grundfläche sind der Abdeckschicht über die Grundfläche verteilt angeordnete Verbindungsflächen zugeordnet, die die Haftung der Abdeckfolie auf der Grundfläche befördern und die Leiter kammern. Die Form der Verbindungsflächen hat dabei keinen Einfluss auf die Ströme.
Zur näheren Erläuterung der Erfindung werden im folgenden mehrere Ausführungsbeispiele beispielsweise anhand der Zeichnungen beschrieben. Diese zeigen in:
Figur 1 einen Schnitt durch eine erste Ausführungsform der Erfindung,
Figur 2 eine Draufsicht auf eine Ausführung des Sensors in Fig. 1 ,
Figur 3 eine Draufsicht auf eine Abwandlung der Fig. 2,
Figur 4 Kontakteinrichtungen für die Verbindung der in Fig. 1 dargestellten
Ausführungsform mit der Betriebsspannung und der Messeinrichtung,
Figur 5 eine schematische Darstellung des Überwachungssystems mit den in den Fig. 1 -4 dargestellten Ausführungsbeispielen,
Figur 6 eine schematische Darstellung der elektrischen Verhältnisse im
Sensorkreis
Figur 7 einen Schnitt durch die Grundfläche mit darauf angeordneten
Abdeckflächen und dazwischen angeordneten Verbindungsflächen
Figur 8 eine Draufsicht auf die Grundfläche mit auf den Kammzinken der Leiter verteilt angeordneten Verbindungsflächen
Figur 9 einen Schnitt durch die in Fig. 8 dargestellte Anordnung.
Figur 1 zeigt einen Schnitt durch eine erste Ausführungsform der Erfindung, bei der eine isolierend ausgebildete längliche Grundfläche 1 vorgesehen ist, auf der nebeneinander zwei niederohmige Leiter 2, 3 angeordnet sind. Beide Leiter 2, 3 sind durch eine Abdeckschicht 4 geringer Leitfähigkeit abgedeckt. Als Abdeckschicht 4 ist ein Material gewählt, das einerseits die beiden Leiter 2,.3 gegen Korrosion, Abtrag oder Beschädigung schützt und andrerseits seine Leitfähigkeit bei Benetzung der Außenseite vergrößert. Anders als sonst bei Leitern üblich, stellen hier die die Fläche der Abdeckschicht, ihr Querschnitt und ihre Schichtdicke die Länge des Leiters dar. Die Schicht 4 ist daher relativ hochohmig, die Länge des durch die Schicht 4 gebildeten Leiters liegt nur im μ- Bereich und der Querschnitt beträgt mehrere bis viele Quadratzentimeter. Die Senkung des Durchgangswiderstandes wird bei im wesentlich gleichbleibender Leitfähigkeit der Abdeckschicht 4 durch die Vergrößerung der den Leiterquerschnitt bildenden benetzten Fläche erreicht. Zwischen den Leitern 2, 3 wirkt dann die Serienschaltung dreier Widerstände, nämlich die beiden Widerstände der benetzten Abdeckflächen und der Widerstand des benetzenden Meldemediums 42. Dieser ergibt sich aus seinem spezifischen Widerstand seinem aus der Menge des Mediums resultierenden Querschnitt. Dadurch wird zugleich erreicht, dass zufällige punktförmige Fehlkontakte , z.B. ein Drahtende zur Befestigung einer Isolation überwachter Rohre, keinen großen Einfluss haben, weil durch sie kein großer Querschnitt und dadurch auch kein niederohmiger Durchgangswiderstand zustandekommt. Ein solches Material ist beispielsweise ein Kunststoff auf Silikon- Basis. Die Kunststofffolie kann ein oder mehrschichtig ausgebildet sein und leitfähigen Kohlenstoff enthalten. Weiterhin ist es möglich, die leitfähigen Strukturen durch Behandlung mit Lasern zu erzielen.
Die Grundfläche 1 für die Leiter 2, 3 ist oder enthält ein nicht leitendes flexibles Trägermaterial. In Fig. 1 sind die beiden Leiter 2, 3 vorzugsweise als gedruckte Schaltung auf einer nicht leitenden, flexiblen Grundfläche 1 angeordnet. Sie können als vorbereitete Folien auf die Grundfläche 1 aufgebracht sein. Die beiden Leiter 2, 3 verlaufen im Prinzip parallel zueinander und- werden so von der gemeinsamen Abdeckschicht 4 überdeckt, dass diese die von den Leitern 2, 3 eingenommenen Bereiche überlappt und an den Rändern 11, 12 der Grundfläche 1 diese mit ihren Rändern 41 und 42 berührt, vorzugsweise dicht verbunden ist. Die Abdeckschicht 4 ist eine im wesentlichen Wasser- und
Flüssigkeits-undurchlässige Schicht und kann daher nach einer Verschmutzung , also nach einem Messvorgang, nicht nur selbst leicht gereinigt werden. Vielmehr schützt sie die Leiter gegen im System verbleibende Flüssigkeiten, die künftige Messungen verfälschen könnten. Da solche Leckage- Flüssigkeiten das Material der Leiter angreifen könnte, erhöht eine solche Abdeckschicht 4 auch die Lebensdauer des Mess- Systems. Die Leiter 2, 3 wirken als Sensorpole und sind vorzugsweise Teil eines Widerstands- Netzwerks, bei dem Änderungen eines Teilwiderstands zur Anzeige einer Systemänderung, beispielsweise einer Leckage, führt (Fig. 6). Dabei spielen die Abstände A der Leiter 2, 3 eine große Rolle. Ein dichter Abstand A erhöht die Empfindlichkeit des Systems, kann aber auch leicht zu Fehlmeldungen führen, weil beispielsweise ein Wassertropfen schon eine Leckage andeuten könnte. Die Leiter 2, 3 werden daher vorzugsweise über die Grundfläche verteilt angeordnet, so dass ein einstellbarer Schwellwert der nicht dargestellten Messeinrichtung erst bei Benetzung einer größeren Fläche der Abdeckschicht 4 zu einer Leckage- Anzeige führt (vgl. Fig. 6). Für die Verteilung der Leiter 2, 3 auf der Grundfläche 1 sind mehrere Möglichkeiten gegeben.
Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf eine Ausführung der Verteilung der Leiter 2, 3 auf der Grundfläche 1 gemäß Fig. 1 , Die beiden Leiter 2 und 3 sind einerseits durchgehend ausgebildet, haben aber mäanderförmig ausgebildete Abzweigungen 5, 6, die so miteinander berührungsfrei verschachtelt sind, dass sie eine relativ große Fläche einnehmen, auf der sie einander mit geringem gegenseitigen Abstand B gegenüberliegen. Die durchgehend ausgebildeten Leiterteile stellen praktisch einen Kammrücken 5 dar und die Abzweigungen die Kammzinken 6. Zwischen den Leitern 2, 3, 5, 6 ist eine nichtleitende Trennlinie 12 sichtbar. Die Grundfläche 1 ist für die flächenhafte Verteilung der Leiter 2, 3 sehr breit bemessen, beispielsweise breiter als 40cm, vorzugsweise 50 cm. Die Länge der Grundfläche 1 und der Leiter 2, 3 sowie der Abdeckfläche 4 ist nahezu unbegrenzt wählbar, kann also für die Verlegung in großen Räumen , aber auch im Gelände genutzt werden. Die Abdeckfläche 4 bildet um die Leiter 2, 3, 5, 6 Bereiche 13, 14, die zwischen sich Abstände A aufweisen. Erst bei einer flächenhaften Benetzung eines benachbarte Kammzinken-Leiter 5, 6 überdeckenden Bereiches 45 der Abdeckfläche 4 wird eine Widerstandsänderung messbar. Mit einem Schwellwert der Anzeige kann eine noch größere Fläche 45 vorausgesetzt werden. Die Abstände A, B müssen
bei der Detektion nichtleitender Flüssigkeiten möglichst klein und genau definiert sein, da hier eine hochfrequente Messmethode erforderlich wird. Bei Widerstandsmessverfahren ist dies nicht erforderlich.
Bei vorfabrizierter Grundfläche 1 mit nach Art gedruckter Schaltungen aufgebrachten Leitern 2, 3, 5, 6 und darauf angeordneter Abdeckschicht 4 kann eine solche Sensorleitung als Rollenware angeliefert werden , von der die jeweils benötigten Längen einfach abgeschnitten werden. Vor Ort sind dann nur noch die Verlegearbeiten durchzuführen und die Anschlüsse 15, 16 für die Messeinrichtung anzubringen. Den Leitern 2, 3 können auch geminsame oder getrennte Rückführleiter 7, 8 zugeordnet werden, mit denen beispielsweise die Leitungen 2, 3 auf Durchgang oder Widerstandsgröße messbar sind. Solche Leitungen 7, 8 können auch auf der Grundfläche 1 integriert sein. Sie müssen darin aber vollständig isoliert sein, damit bei Benetzung mit Leckmedium keine Verfälschung der Messwerte erfolgt.
Die mäanderförmige Verschachtelung der Leiter 2, 3 ist so beschaffen, dass die Abdeckfläche 4 die Grundfläche 1 jeweils in einem Bereich 41 abdeckt und dort mit ihr fest und vorzugsweise flüssigkeitsdicht verbunden ist. Die Abdeckschicht 4 kann aber auch in den Bereichen 12 zwischen den Abzweig- Leitern mit der Grundfläche 1 verbunden sein. Dadurch wird erreicht, dass eine Durchfeuchtung des Bereiches der Leiter 2, 3, 5, 6 bei Perforation oder Beschädigung der Abdeckschicht 4 oder der Grundfläche vermieden oder zumindest verringert wird. Die Abdeckschicht 4 geringer Leitfähigkeit ist so beschaffen, dass sie ihre Leitfähigkeit proportional zu einer Flächenbenetzung ändert. Wenn also ein kleiner Teilbereich wie 45 benetzt ist, so ändert die Abdeckschicht 4 ihren Widerstandswert in nur diesem Bereich und bewirkt dort eine für Detektion und Ortung messbare Widerstandsänderung. Sie hat dabei eine im wesentlichen glatte Oberfläche und keine Perforationen. Sie ist daher leicht zu reinigen. Sollten doch Perforationen vorhanden sein, wie es durch Beschädigungen möglich ist, so haben diese keinen großen Einfluss, da erst die Benetzung größerer Flächen eine Anzeige für die Detektion und/ oder Ortung bewirkt. Die großflächige Abdeckschicht 4 kann mit Beschriftungen wie „Sensorleitung, bitte nicht betreten" oder mit Hinweisen zur Verlegung bedruckt werden.
Figur 3 zeigt eine Draufsicht auf eine Abwandlung der Fig. 2. Hier ragen die Zinken-Abzweigungen 6 zwischen die jeweils anderen Abzweigungen des jeweils parallel verlaufenden Leiters 2, 3.
Figur 4 zeigt Kontakteinrichtungen für die Verbindung der Leiter 2, 3 mit der Betriebsspannung, der Messeinrichtung oder anderen Leiterlängen .
Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung eines Überwachungssystems mit jeweils einer Sensorleitung 1 , 2, 3, 4 für die Hinleitung und einer weiteren Sensorleitung 1a, 2a, 3a, 4a für die Rückleitung. Jeder zu überwachende Teilbereich hat also vorzugsweise eine Hinleitung gemäß den in den Fig. 1 - 4 dargestellten Ausführungsbeispielen und eine Rückleitung nach diesen Ausführungsbeispielen. Die Hinleitung kann eine Verteilung der Leiter 2, 3, 5, 6 gemäß Fig. 2 haben und die Rückleitung eine Verteilung der Leiter 2, 3, 5, 6 gemäß Fig. 3. Andere Verteilungen sind ebenfalls möglich. Bei der Überwachung mehrerer Teilbereiche sind den einzelnen Sensorleitern 2, 3 Kontroll- Leitungen 7, 8 zugeordnet. Diese können auch über mehrere Teilbereiche hinweg geführt werden.
Figur 6 zeigt eine schematische Darstellung der elektrischen Verhältnisse im Sensorkreis. Die einander gegenüberliegenden Leiter 2, 3 (einschließlich 5, 6) sind schematisch durch drei in Serie geschaltete veränderliche Widerstände 4 - 42 - 4 (das sind die Abd eckschichten und ein gegebenenfall vorgesehenes Meldemedium (Fig. 7) der Abdeckschicht 4 verbunden. Die Widerstandswerte der einzelnen Elemente sind aufeinander abgestimmt. Bei einem Ausführungsbeispiel haben die Leiter einen relativ geringen Widerstand von 1 Ohm bis 1 kOhm je lfd Meter. Die Abdeckschichten 4 haben einen Widerstand von unendlich ohne Benetzung bis 1000 Ohm bei Benetzung der Bandleitung über die Länge eines Meters bei vorgegebener Breite (bei abweichender Breite muss die Abdeckschicht vorzugsweise so bemessen oder gewählt werden, dass der Endwert 1 kOhm je lfd Meter erreicht wird, wenn dieser für das Widerstandsmessverfahren zugrundegelegt wird.) und das Meldemedium, das ist die benetzende Flüssigkeit, einen Widerstand von unendlich ohne Benetzung bis 100 Ohm bei Benetzung. Widerstände 46 werden in den Kontaktübergängen wirksam. Sie verbinden die Leiter 2, 3 mit den Anschlussklemmen.
Figur 7 zeigt einen Schnitt durch die Grundfläche 1 mit darauf angeordneten Abdeckflächen 4 und einer dazwischen angeordneten Verbindungsfläche 17. Wenn für die Abdeckfläche 4 selbst auch bei Nichtbenetzung eine geringe Leitfähigkeit gegeben ist, sollte sie nur die Leiter 2, 3, 5, 6 überdecken und umgeben. Die Trennlinie 12 sollte dann im wesentlichen von einer das Meldemedium 42 aufnehmenden Teilfläche der Abdeckschicht 4 bedeckt sein. Das Meldemedium erhöht zwar mit fortschreitender Benetzung wie die Abdeckschicht 4 bei Benetzung seine Leitfähigkeit, verhindert aber bei Nichtbenetzung durch seine Serienschaltung mit den die Leiter direkt bedeckenden Abdeckschichten 4 einen Stromfluss. Ein kleiner Lecktropfen, der die beiden über den Leitern liegenden Abdeckschichten nicht benetzt, löst also überhaupt keinen Stromfluss aus. Wie in Fig. 6 angedeutet, erreicht dieses Meldemedium bei Benetzung eine größere Leitfähigkeit als die eigentlichen Abdeckschichten 4.
Figur 8 zeigt eine Draufsicht auf die Grundfläche 1 mit im wesentlichen auf den Kammzinken 6 der Leiter 2, 3 verteilt angeordneten Verbindungsflächen 17. Die Verbindungsflächen 17 können in Größe und Anzahl variieren. Sie können auch in jeder beliebigen Form gestaltet werden. Sie können auch zur Markierung und Kennzeichnung, zu Bedienungs- oder Warnhinweisen und auch mit Marken zur Kennzeichnung des Herstellers versehen werden. Die Verbindungsflächen 17 verbessern die Haftung der Leiter 2, 3, 5, 6 auf der Grundfläche 1 , indem diese Leiter zwischen Grundfläche und Abdeckfläche gekammert werden..Die Verbindungsflächen 17 sind versetzt angeordnet, weil sie jeweils die Lücken zwischen den kammartig ineinandergreifenden Zinken erfassen sollen.
Figur 9 zeigt einen Schnitt durch die in Fig. 8 dargestellte Anordnung mit den im Querschnitt sichtbaren Zinken 6.
Die soweit beschriebene Technik mit glatter Oberfläche der Abdeckschicht 4 kann nicht nur bei rollenförmiger Ausbildung der Sensoren 1 , 2, 3, 4 genutzt werden.
Bezugszeicheniiste
1 Grundfläche , nichtleitend 2 niederohmige Leiter
3 niederohmige Leiter
4 Abdeckschicht geringer Leitfähigkeit
5 Kammrücken
6 Kammzinken 7 Externe Leitung
8 Externe Leitung
9 Kontaktplatte
10 Rand der Grundfläche 1
11 Rand der Grundfläche 1
12 Trennlinie zwischen Leitern 2, 3, 5, 6
13 Bereich
14 Bereich
15 Anschlüsse für die Messeinrichtung oder für Rückführungen 16 Anschlüsse für die Messeinrichtung oder für Rückführungen
17 Verbindungsfläche
18 Übergangswiderstände von 9
25 Sensorleitung 1 , 2, 3, 4 für die Hinleitung 26 Sensorleitung 1a, 2a, 3a, 4a für die Rückleitung 27
40 Widerstand von 4
41 Ränder der Abdeckschicht 4
42 Meldemedium (Leckflüssigkeit) 43, 44, 45 benetzbare Bereiche
A Abstände
B Abstände der Leiter 2, 3