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