DE102007022039A1

DE102007022039A1 - Sensoranordnung

Info

Publication number: DE102007022039A1
Application number: DE102007022039A
Authority: DE
Inventors: Alexander Scheuermann; Holger WÖRSCHING; Rolf Nüesch (verstorben); Rainer Schuhmann; Christof HÜBNER; Andreas Bieberstein; Stefan Schlaeger; Rolf Becker
Original assignee: Universitaet Karlsruhe; HOCHSCHULE MANNHEIM
Current assignee: HOCHSCHULE MANNHEIM, 68163 MANNHEIM, DE; Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 2007-05-08
Filing date: 2007-05-08
Publication date: 2008-11-20
Anticipated expiration: 2027-05-09
Also published as: WO2008135040A3; EP2158464A2; WO2008135040A2; DE112008001742A5; US20110037483A1; DE102007022039B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sensor mit einer Leiteranordnung und einem Zwischenleiterdielektrikum, um lokale Sensorimpedanzänderungen im Ansprechen auf äußere Kräfte zu erfassen. Hierbei ist vorgesehen, dass die Leiteranordnung langgestreckte Leiterstreifen umfasst, zwischen denen das Zwischenleiterdielektrikum als komprimierbares Isolationsmedium angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das oberbegrifflich Beanspruchte und bezieht sich somit auf Sensoren, die auf einwirkende Kräfte ansprechen.
Es gibt eine Vielzahl von Fällen, in denen Sensoren benötigt werden, mit welchen nicht nur das Auftreten von Kräften an sich erfasst werden kann, sondern auch zu ermitteln ist, an welcher Stelle eine Krafteinwirkung eintritt. Dies ist wünschenswert vor allem dann, wenn mit Deformationen von sehr großen Bauteilen oder Bauwerken gerechnet werden muss. Beispielhaft sei etwa die Überwachung von Untertagebaukonstruktionen genannt, bei denen auftretende Kräfte auf Bewegungen des Gesteins unter Tage hindeuten, die lokalisiert werden müssen, damit Gegenmaßnahmen, beispielsweise zusätzliche Abstützungen, ergriffen werden können. Gleiches gilt bei der Innenschalung von Tunnelbauwerken oder der Druckmessung in bzw. an Beton im Tunnel-, Tief oder Hochbau. Auch in Baugruben oder Bohrlöchern können Erdbewegungen zu Druckänderungen führen, d. h. zu Änderungen der Kräfteverteilung im Untergrund, auf andere Bauteile usw. Dies ist häufig deshalb kritisch, weil einerseits sehr große Bereiche oder Strecken überwacht werden müssen, andererseits aber eine Änderung jederzeit auftreten kann und dann schnell darauf reagiert werden muss. Ungeachtet dieser Schwierigkeit sollen die entsprechenden Messungen preiswert möglich sein.
Es ist bereits vorgeschlagen worden, Deformationen des Untergrundes über Zeitdomainenreflektometrie (Time Domain Reflectometry, nachfolgend TDR) zu bestimmen. Zur Zeitdomainenreflektometrie sei zunächst auf verschiedene allgemeine Einführungen hingewiesen. Erwähnt sei insbesondere „Theorie der Zeitbereichsreflektometrie" von Dieter Dahlmeyer, in elektronik industrie 2-2001. In einer Anwendung wird ein steilflankiger Impuls in ein Koaxialkabel eingespeist. Ein Koaxialkabel hat eine bestimmte Impedanz, d. h. einen bestimmten Wellenwiderstand, der u. a. von der Geometrie des Kabels abhängt. Solange der einmal eingespeiste Impuls entlang des Kabels bei seiner Ausbreitung eine konstante Impedanz vorfindet, läuft er bis auf eine eventuelle Dämpfung durch Kabelverluste unverändert entlang des Kabels. Wenn sich jedoch die Impedanz längs des Signalweges, d. h. des Kabels, ändert, wird ein Teil des Impulses nicht weitergeleitet, sondern reflektiert. Dies ist vergleichbar mit der Reflexion einer Lichtwelle an einer Grenzfläche wie einer Wasseroberfläche: Solange sich die Lichtwelle ungestört ausbreiten kann, läuft sie in eine feste vorgegebene Richtung. Erst an einer Grenzfläche, an der sich das Ausbreitungsverhalten (und damit auch für Lichtwellen die Impedanz) ändert, wird ein Teil des Lichtes zurückgeworfen, während ein anderer Teil weiterläuft.
Es wird nun am Einspeisende des Kabels untersucht, ob ein bestimmter Teil des ursprünglich eingespeisten Impulses zurückgeworfen wird und nach welcher Zeit reflektierte Spannungsimpulsanteile beobachtet werden; aus dieser Zeit lässt sich auf die Lage der Impedanzänderung schließen.
Von der Kane Geotech Ing., Stockton, CA, ist es bekannt, elektrische Koaxialkabel in Bohrlöchern einzubringen und dann die Kabelsignatur mit Zeitdomainenreflektometrie zu bestimmen. Damit sollen Erdrutschbewegungen bestimmt werden, die bei einem quer zur Rutschbewegung eingebrachten Koaxialkabel einen starken Knick und damit eine besonders große Änderung der Kabelimpedanz bewirken, was zu besonders starken Rückreflexionen am Kabel führt.
In einem Aufsatz „Monitoring Slope Movement with Time Domain Reflectometry" von W. F. Kane, präsentiert bei Geotechnical Field Instrumentation: Applications for Engineers and Geologists, sponsored by: ASCE Seattle Section Geotechnical Group and University of Washington Department of Civil Engineering, April 1, 2000, wird ausgeführt, dass jedes Kabel eine charakteristische Impedanz hat, die durch ihre Materialzusammensetzung und den Aufbau bestimmt sei. Es wird ein bestimmtes, schaumgefülltes Kabel empfohlen. Dieses soll ummantelt sein. Die Deformation des Kabels führe zu Änderungen des Abstandes der inneren und äußeren Leiter. Diese Änderungen hätten wie derum Impedanzdifferenzen zur Folge, woraus die Reflexion eingespeister Spannungsimpulse folgen würde. Es wird ausgeführt, dass eine sogenannte Kabelsignatur-„Spitze” das Ausmaß des Kabelschadens andeute. Es wird ausgeführt, dass Bodenbewegungen das Kabel deformieren würden und Impedanzänderungen und Energiereflexionen eingespeister Pulse zur Folge hätten, was wiederum zur Lokalisierung von Scherbewegungen herangezogen werden könnte. Es wird ausgeführt, dass das Kabel günstig ist, dass aber verschiedene Nachteile bestünden. So wird ausgeführt, dass das Koaxialkabel zwingend durch Scherung oder Spannung oder einer Kombination beider Effekte beschädigt werden müsse, um eine Kabelsignatur zu zeigen. Auch sei eine Korrelation zwischen der TDR-Impulsspitzengröße und der Größe der Bewegung nicht eindeutig. Außerdem werde eine Bewegungsrichtung nicht ersichtlich.
Es ist auch bereits bekannt, Feuchtemessungen entlang großer Strecken mittels Zeitdomainenreflektometrie durchzuführen. Derartige Messungen der Bodenfeuchte sind bei Deichüberwachungen von besonderer Bedeutung. Es ist auch schon vorgeschlagen worden, vgl. US 6,956,381 B2 , flache flexible Wellenleiter, die an eine flexible Hülse angebracht sind, welche mit Material verfüllt wird, gegen ein unregelmäßig geformtes Inneres einer Bohrlochwandung zu pressen, um dann über Zeitdomainenreflektometrie Bodenfeuchte lokalisiert bestimmen zu können. Ein weiteres Beispiel für eine Bodenfeuchtebestimmung finden sich in der JP 10062368 A .
Aus der DE 693 00 419 T2 entsprechend der EP 0 628 161 B1 ist eine Vorrichtung zur Leckdetektion in Rohren bekannt. Es wird darin eine fluidführende, für eine Leckortung ausgerüstete Leitung vorgeschlagen, die um ihren Umfang herum mit einem biegsamen, fluiddurchlässigen, leitfähigen Material umgeben ist, und welche eine Reihe von parallelen, isolierten, elektrischen Leitern aufweist, die im Allgemeinen in der Längsrichtung entlang der Leitung angeordnet und um die Außenseite des genannten biegsamen leitfähigen Materials herumgewickelt sind, wobei die isolierten elektrischen Leiter blanke Leiterelemente aufweisen, die in den benachbarten Bereichen des isolierten Leitermaterials an der Stelle des isolierten Leitermaterials freigelegt sind, welches dem biegsamen leitfähigen Material benachbart ist. Nach einer Leckage von Gas aus einer unter Druck stehenden Leitung wie einer Gasleitung soll es dann eine momentane Ballonbildung der leitfähigen biegsamen Schicht geben, welche nach Berührung mit dem freigelegten Bereich der signalführenden Elemente den Widerstand zwischen den genannten Leitern ändert, welche die signalführenden Elemente bilden. Dies soll unmittelbar durch Impedanzänderungen gemessen werden.
Es wird weiter in der US 6,838,622 B2 vorgeschlagen, den Füllstand eines Behälters wie eines Nuklearbehälters unter Verwendung eines TDR-Sensors zu bestimmen.
Weiter wird, insbesondere bezüglich der Feuchtemessung verwiesen auf die Veröffentlichung „Monitoring of Dams and Dikes-Water Content Determination using Time Domgin Reflectometry (TDR)", veröffentlicht in der 13th Danube-European Conference an Geotechnical Engineering, Ljubljana, Slovenia, Mai 2006. Weiter wird verwiesen auf den Aufsatz „A fast TDRinversion technique for the reconstruction of spatial soil moisture content" von S. Schlaeger, veröffentlicht in Hydrologs an Earth System Sciences 9, 481–492, 2005.
Es ist wünschenswert, bei Messungen wie den eingangs erwähnten Druck- und Verformungsmessungen wenigstens partielle Fortschritte erzielen zu können und/oder angeben zu können, wie preiswerte und/oder zuverlässig Messungen durchführbar sind.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Neues für die gewerbliche Anwendung bereitzustellen.
Die Lösung dieser Aufgabe wird in unabhängiger Form beansprucht. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die vorliegende Erfindung schlägt somit in einem ersten Grundgedanken einen Sensor mit einer Leiteranordnung und einem Zwischenleiterdielektrikum, um lokale Sensorimpedanzänderungen im Ansprechen auf äußere Kräfte zu erfassen, vor, bei welchem vorgesehen ist, dass die Leiteranordnung langgestreckte Leiterstreifen umfasst, zwischen denen das Zwischenleiterdielektrikum als komprimierbares Isolationsmedium angeordnet ist.
Es wurde erkannt, dass durch geschickte Sensorausbildung eine nicht nur qualitative Aussage über das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein von Erdbewegungen möglich wird, sondern vielmehr sogar quantitative Aussagen ermöglicht werden über bei Bauteilebewegungen auftretende Belastungen, wie sie durch Schäden oder Materialermüdung, die zu Kraftumlagerungen führen, auftreten können. Ermöglicht wird dies, indem sichergestellt wird, dass keine sprungartigen Änderungen bei Belastungen auftreten, sondern ein sich stetig änderndes Signal bei Belastung erhalten wird. Dies ist mit einem komprimierbaren Isolationsmedium möglich.
Bevorzugt ist es, wenn auch im komprimierten Zustand das Zwischenleiterdielektrikum noch vollständig isoliert. Es sei aber darauf hingewiesen, dass es möglich wäre, zunächst eine Impedanzänderung während der Kompression zu beobachten, die auf eine kontinuierliche Veränderung der Leitergeometrie zurückzuführen ist, um dann in einem Endzustand eine Kontaktierung der Leiter zu bewirken, wie per se aus dem Stand der Technik bekannt. In einem solchen Fall könnte eine End- Position der Kompressionsbewegung angezeigt werden. In der bevorzugten Variante wird jedoch genau dies verhindert, weil durch eine lokale Kontaktierung von Leitern im Regelfall derart starke Änderungen der Impedanz erhalten werden, dass quantitative Messungen an anderen Stellen beeinträchtigt werden.
Das Zwischenleiterdielektrikum ist in einer bevorzugten Variante gegen Wasser- und/oder Feuchtigkeitsaufnahme geschützt bzw. gegen die Aufnahme jedweder Fluide, die zu Impedanzänderungen führen können, welche nicht auf Krafteinwirkung zurückzuführen sind; erwähnt seien hier etwa Messungen in oder an Chemiebehältern, bei denen eine Quellwirkung hervorgerufen durch Chemikalien auftreten könnte, und dass das Zwischenleiterdielektrikum in seiner Dicke verändern könnte. Der Schutz gegen derartige Fluide kann auf unterschiedliche Weise geschehen. Es ist möglich, ein Zwischenleiterdielektrikum zu verwenden, dass keine oder nur geschlossene Poren aufweist, so dass in den Zwischenleiter keine Fluide eindringen können und dieser per se geschützt ist. Alternativ und/oder zusätzlich ist es möglich, die Gesamtanordnung aus Leitern und Zwischenleiterdielektrikum zu umhüllen, was mehrere Vorteile bietet. So sind die Leiter gegen Korrosion und gegebenenfalls Abrieb beim Einschieben eines Sensors in eine Öffnung oder Ausnehmung besser geschützt; zugleich können Umgebungsänderungen, beispielsweise bedingt durch Bodenfeuchte nicht zu einer Veränderung der Messwerte führen, wenn etwa eine stärkere Ableitung gegen Masse längs des Kabels feuchtigkeitsbedingt auftreten würde.
Es ist zugleich möglich, zusätzlich zu dem als komprimierbaren Isolationsmedium ausgebildeten Zwischenleiterdielektrikum, das gegen Wasser- und/oder Feuchtigkeitsaufnahme geschützt ist, ein zur Feuchtigkeitsaufnahme bestimmtes Zwischenleiterdielektrikum vorzusehen. Dies erlaubt es, gegebenenfalls Messungen in Abhängigkeit von der Bodenfeuchte vorzunehmen, ohne größeren Aufwand für die Sensortechnik betreiben zu müssen. Derartige Kraft- Feuchtigkeitsmessungen sind bei einer Vielzahl von Bauwerken wie Deichen, aber auch für Baugrubenumschließungen usw. von besonderer Bedeutung. Es kann dann zwischen materialbedingten, feuchteänderungsgekoppelten Signalen einerseits und rein statischen oder tektonischen Signalen andererseits unterschieden werden. Erwähnt sei beispielsweise, dass erforderlichenfalls auch eine Messung mit einem Leiter unmittelbar gegen das umgebende Erdreich möglich wäre.
Die als komprimierbares Isolationsmedium ausgebildete Zwischenleiterdielektrikumsschicht der vorliegenden Erfindung wird bevorzugt sandwichartig zwischen zwei Leiterstreifen angeordnet. Auf diese Weise ergeben sich besonders stabile Sensoren, die leicht zu verlegen sind.
Das Zwischenleiterdielektrikum wird in einer bevorzugten Variante elastisch komprimierbar sein bzw. erst bei höheren Lasten eine plastische Deformation aufweisen oder eine signifikante Hysterese. Die Verwendung derartiger Zwischenleiterdielektrika ist deshalb vorteilhaft, weil beispielsweise geringe Vibrationen des Untergrundes leichter ausmittelbar sind und überdies eine Vielzahl von Anwendungen existiert, bei denen das Wechsellastverhalten untersucht werden muss, beispielsweise im Fahrschienenbau für Eisenbahnen, bei Brücken und dergleichen.
Es ist möglich, das Zwischenleiterdielektrikum zwischen einer Versteifungsschicht anzuordnen, über welche die Last auf die Sensoranordnung über eine größere Strecke verteilt wird. Dies verringert punktförmige Belastungen, verringert so eine plastische oder hystereseauslösende Deformation des Mediums und ermöglicht damit eine besonders einfache Messung, da die Signale bei Messung mit Zeitdomainenreflektometrie weniger hochfrequente Anteile aufweisen, was rauschmindernd wirkt.
Der Sensor kann in einer bevorzugten Ausführungsform ganz erhebliche Längen besitzen. Es sind ohne Weiteres Längen von weit über einem Meter herstell- und verwendbar. Die wesentliche Begrenzung der Sensorlänge ergibt sich einerseits aus der stets vorhandenen Querdämpfung des entlang der Leiteranordnung laufenden hochfrequenten Mess- bzw. Reflektionspulses und Störungen durch das Auftreten von Mehrfachreflexionen beispielsweise zwischen zwei in der Impedanz durch äußere Kräfte geänderten, aber voneinander beabstandeten Sensorstellen. Gleichwohl wird einzuschätzen sein, dass ein Sensor etliche Dekameter Länge besitzen kann. Es sind damit insbesondere Messungen auch in langen Tunnels, Spannbrücken und der gleichen möglich. Es wurde an längeren Sensoren festgestellt, dass sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit eines Impulses, wie er bei der Zeitdomainenreflektometrie in die Sensorkabelanordnung eingespeist wird, unter Krafteinwirkung d. h. bei Zwischenleiterdielektrikumskompression nicht oder kaum signifikant ändert. Dies führt zu einer besonders einfachen Signalauswertung.
In einer besonders bevorzugten Variante wird als Zwischenleiterdielektrikum ein Kunststoff, insbesondere ein geschäumter Kunststoff verwendet, wobei die Kunststoffschäumung die Kompressibilität bedingt. Zur Verhinderung des Eindringens von Fluiden und/oder Feuchtigkeit wird typisch ein die Leiter hermetisch umgebender Kunststoff bevorzugt.
Schutz wird auch beansprucht für die Verwendung eines Zeitdomainenreflektometriesensors, insbesondere wie vorstehend in allgemeiner oder bevorzugter Form beschrieben, um Verformungen und mechanische Drücke zu quantifizieren. Als Anwendungen seien dabei insbesondere erwähnt Baugrubenumschließungen, Bestimmung von Böschungs- und Bodenverformungen, Druck- und Verformungsmessungen an Bauteilen zur Tragsicherheitsbeurteilung, Schadens- und Materialermüdungsbestimmung für Langzeitmessungen insbesondere im Untertagebau, bevorzugt in feuchteverteilungskorrigierter Weise, insbesondere zur Trennung zwischen Umgebungsbedingungen wie mit Feuchteänderungen usw. verknüpften Signalen und Änderungen aufgrund z. B. tektonischer Gebirgsdrücke und dergleichen. Dies ist z. B. vorteilhaft, wenn rutschungsgefährdete Hänge beobachtet werden sollen, um langfristig eine Verhaltensprognose abgeben zu können, was aufgrund der Auswertbarkeit der mit dem vorliegenden Sensor erhaltenen Messungen und der großen Sensorlängen ohne Weiteres möglich ist. Allgemein sind aber nicht nur natürliche Umgebungen sondern auch bauliche Konstruktionen überprüfbar. Dass neben Langzeitmessungen auch kurzfristigere Messungen möglich sind, sei erwähnt. Dies gilt insbesondere bei der Überwachung von Baugruben, bei denen im Zuge des Aushubfortschrittes kurzfristig größere Druckänderungen in der Umgebung auftreten können, die bei Großbauwerken zu überwachen sind. Anbahnende Schäden können mit der Erfindung so frühzeitig erfasst werden. Hingewiesen sei bezüglich entsprechendem Stand der Technik insbesondere auch auf die Veröffentlichung von Paul A. Walter, Empfehlung des Arbeitskreises 3.3 – Versuchstechnik Fels der Deutschen Gesellschaft für Geotechnik e. V.: Messung der Spannungsänderung im Fels und an Felsbauwerken mit Druckkissen-Bautechnik, 81: 639–647. Anders als dort vorgeschlagen, erfolgt hier jedoch keine punktförmige, sondern eine linienförmige Überwachung, was wesentliche Vorteile bietet. Durch die Verwendung nur weniger linearer Sensoren sind überdies flächige Messungen gut erfassbar. Dass sich mit der vorliegenden Erfindung geologische und geotechnische Beobachtungen prognostizieren lassen, beispielsweise Bohrlochausbrüche, sei erwähnt, da eine derartige Prognostizierung im Regelfall besonders wünschenswert ist.
Die Verwendung der Sensoranordnung zur Erfassung von Druckverteilungen hinsichtlich Orientierung und Stärke sowie zur Bestimmung von Feuchteverteilungen in kontinuierlicher bzw. quasikontinuierlicher Weise sowie zeitaufgelöst sei als besonders bevorzugt erwähnt.
Es sei im Übrigen erwähnt, dass es möglich ist, Zwischenleiterdielektrika zu verwenden, die hinreichend temperaturstabil sind, um auch in tiefen Bohrlöchern oder weit unter der Erde zu den erwähnten Messzwecken eingesetzt zu werden. Es lassen sich Verformungs- und Druckverläufe mit großer Informationsdichte bestimmen, mit Feuchte gekoppelte Prozesse wie Quellung, Schrumpfung, Rissbild und/oder Entlastung, insbesondere, sofern parallel und/oder im Wechsel Feuchte gemessen wird. Die Messungen sind ohne großen Geräteaufwand automatisierbar, was für Überwachungszwecke besonders bevorzugt ist, wobei die Sensoren zugleich kostengünstig produzierbar sind und es ist ohne Weiteres möglich Sensorkonfigurationen zu schaffen, die an eine jeweilige Aufgabenstellung besonders angepasst sind, etwa indem bei gegebenem Druck auch Feuchte erfasst wird, eine Anpassung hinsichtlich der Betriebstemperatur erfolgt, eine Anpassung hinsichtlich der erwarteten Lasten auf den Sensor durch Wahl des Zwischenleiterdielektrikums vorgenommen wird, eine Lastenverteilung zur Vermeidung punktförmiger Belastungen in bestimmten Fällen vorgenommen wird, besonders temperaturresistente oder chemikalienresistente Sensoren eingesetzt werden, was neben geotechnischen Einsatzmöglichkeiten das Spektrum hin zu industriellen Überwachungen im Anlagenbetrieb signifikant erweitern.
Die Erfindung wird im Folgenden nur beispielsweise unter Bezug auf die Figurenzeichnung beschrieben. In dieser ist dargestellt durch
1 eine Sensoranordnung der vorliegenden Erfindung;
2 Zeitdomainenreflexionssignale, die bei unterschiedlichen, lokalen Belastungen eines Sensors nach 1 erhalten werden, gemessen einmal von der linken und einmal von rechten Seite her;
3 ein Beispiel für eine Sensorhysterese bei Verwendung eines weniger geeigneten Isolationsmediums;
4 alternative Sensorgeometrien.
Nach 1 umfasst ein allgemein mit 1 bezeichneter Sensor 1 eine Leiteranordnung aus zwei Leitern 2a, 2b, zwischen welchen ein Zwischenleiterdielektrikum 3 vorgesehen ist, um lokale Sensorimpedanzänderungen im Ansprechen auf äußere Kräfte, dargestellt durch Kraftvektor f erfassen zu können, wobei die Leiteranordnung durch langgestreckte Leiterstreifen 2a, 2b gebildet ist, zwischen denen das Zwischenleiterdielektrikum als komprimierbares Isolationsmedium 3 angeordnet ist.
Der Sensor 1 ist im vorliegenden Fall als Sensor zur Erfassung der örtlichen Verteilung von Verformungen und mechanischen Drücken über eine längere Strecke von mehreren Metern gebildet. Er ist streifenförmig mit einer Breite von hier beispielsweise ca. 2 cm und einer Dicke von ca. 2,5 cm gebildet. Dabei weist er über den Leitern 2a, 2b eine sich über den Leiterrand nach außen erstreckende Hüllschicht 4 auf, die an den Rändern verschweißt oder sonst wie abgedichtet ist und die steifer als die Zwischenleiterdielektrikumsschicht 3 gebildet ist.
Die Leiter 2a, 2b sind endseitig aus dem Sensor herausgeführt und zur Kontaktierung mit einem Koaxialkabel verbunden, vgl. 5, wobei die Verbindungsstelle im Gebrauch nicht belastet sein soll, sondern mit einer Zugentlastung und dergleichen versehen sein kann. Das Koaxialkabel wird bei der Benutzung zu einem Zeitdomainenreflektometer geführt werden.
Die Leiter 2a, 2b können über die gesamte Breite der Sensoranordnung gebildete Kupferstreifen oder Kupfergeflechte sein oder aus einem oder mehreren Drähten gebildet sein. Bevorzugt ist die Ausbildung als Kupferstreifen; die Verwendung anderer Leitermaterialien wie Aluminium, Edelstahl und dergleichen sei erwähnt. Die Beabstandung der Leiter 2a, 2b ist über die gesamte Länge des Sensors im unbelasteten Zustand konstant, vgl. d in 1.
Das Zwischenleiterdielektrikum 3 ist im vorliegenden Fall als geschlossen zelliger, komprimierbarer Kunststoff mit einer zumindest weitgehend kompressionsunabhängigen Dielektrizitätskonstante gebildet. Es ist bevorzugt, wenn das Zwischenleiterdielektrikum keine piezoelektrischen Eigenschaften oder dergleichen besitzt. Das Zwischenleiterdielektrikum 3 ist als durchgehende Schicht zwischen Leitern 2a, 2b angeordnet und isoliert diese voneinander in jedem Zustand des Sensors, d. h. sowohl im entlasteten Zustand als auch bei Kompression.
Durch die Hüllschicht 4 ist das Zwischenleiterdielektrikum vor dem Eindringen von Feuchtigkeit oder anderen quellenden oder dielektrische Konstante verändernden Fluiden hermetisch gekapselt oder zumindest weitgehend geschützt; die Steife der Hüllschicht ist so, dass punktuelle Lasten auf dem Sensor zu einer über eine größere Länge erstreckten Kompression des Zwischenleiterdielektrikums führen.
Die Verwendung der Sensoranordnung von 1 erfolgt nach Verbau bzw. Einbringen in eine Schicht, in welcher Kräfte in einer Richtung der Flächennormale des Zwischenschichtmediums 3 wirken.
Beispielhaft wird die Verwendung erläutert an Messungen aus einem Laborversuch wie folgt:
Es wird ein Sensorstreifen einer gegebenen Länge, hier von 1 m an vier unterschiedlichen Stellen (1, 2, 3, 4 in 2) entlang des Sensors mit unterschiedlichen Gewichten belastet.
Die Belastung wird im Verlauf des Versuchs variiert, vgl. die Tabelle „Belastungsfolge", die die Kilogramm-Belastung während des Versuches angibt.
Es wird mit einem Zeitdomainenreflektometer bestimmt, wie der Sensor auf die Aufgabe eines steilflankigen Spannungsimpulses bei den unterschiedlichen Belastungen an unterschiedlichen Stellen antwortet. Das Zeitdomainenreflektometer wird einmal (obere Figur) auf der linken und einmal (mittlere Figur) auf der rechten Sensorseite angeschlossen. Die Differenz der Signale von Anschluss auf der linken und rechten Seite ist in 2 unten dargestellt.
Ersichtlich ist aus den unterschiedlichen Kurven, dass sich bei belastungsfreiem Sensor keine signifikanten Signale im Zeitdomainenreflektometer ergeben, die in nennenswerter Weise über das Untergrundrauschen hinausgehen. Mit anderen Worten ist im unbelasteten Sensorzustand die Impedanz, d. h. der Wellenwiderstand zwischen Leitern 2a, 2b über die gesamte Sensorlänge konstant. Wird nun an einer oder an mehreren Stellen eine Belastung auf den Sensor ausgeübt, beispielsweise an Stelle 2 mit bis zu 50 Kilo, so ergeben sich deutliche Impulsreflexionen, die in den Diagrammen erkennbar sind. Diese Impulsreflexionen haben ihre Ursache in der Kompression des isolierenden Zwischenleitermediums, welches zu einer Verände rung der Leitergeometrie führt, hier zu einem Zusammenpressen der Leiter 2a gegen 2b, ohne dass diese sich jedoch berühren.
Die Veränderung der Geometrie der Leiter 2a, 2b führt dazu, dass sich der Wellenwiderstand längs des Sensors ändert und ein eingespeister steilflankiger Impuls an den Impedanzänderungsstellen partiell reflektiert wird. Es sei im Übrigen darauf hingewiesen, dass Impedanzanpassungsglieder im Übergangsbereich vom Koaxialkabel zu der Sensoranordnung in sinnvoller Weise angeordnet werden können.
Es ist aus 2 auch zu ersehen, dass die Kräfte nicht nur klar lokalisiert werden können, sondern auch quantitative Aussagen über an bestimmten Stellen wirkende Kräfte möglich sind. Erwähnenswert ist, dass sich die Lage der Reflexionen kaum mit der Stärke der Belastung ändert. Dies ermöglicht es, unmittelbar von der Zeitskala auf eine Längenskala zu schließen, ohne eine komplizierte Analyse durchführen zu müssen.
In 3 ist dargestellt, wie ein Moosgummi als Zwischenleiterdielektrikum zu einer Hysterese führt. In der linken Hälfte der Kurve ist die Verformung bei unterschiedlichen Belastungen und einer nachfolgenden Entlastung gezeigt, in der rechten Figurenhälfte ist dargestellt, wie die Laufzeit eines eingespeisten Impulses in Abhängigkeit von einer Be- bzw. Entlastung variiert. Es ist deutlich zu erkennen, dass eine Hysterese bei dem verwendeten Zwischenleiterdielektrikum auftritt. Es wird einzuschätzen, dass andere Zwischenleitermedien außer Moosgummi mit geringerer Hysterese bevorzugt sind. Mit dem beschriebenen Sensor ist es ohne Weiteres möglich, langfristig Verformungen aufzuzeichnen. Eine Beeinflussung der Messwerte durch Feuchtigkeit ist nicht zu befürchten, da der Sensor und insbesondere das Zwischenleitermedium vor Feuchtigkeit geschützt sind. Gleichwohl kann es in bestimmten Fällen erforderlich sein, zusätzlich zu den Druckkräften auch die Feuchte des Untergrundes zu bestimmen. Dies ist vor allen Dingen dann sinnvoll, wenn ermittelt werden muss, ob auf den Sensor wirkende Kräfte durch eigentliche Erdbewegungen wie bei einem Rutschen des Untergrundes oder Veränderungen der Feuchtigkeit und dadurch herbeigeführtes Quellen oder Schrumpfen des Umgebungsmaterials hervorgerufen sind. Für einen solchen Fall ist es möglich, den Sensor anders auszubilden.
Dies wird nachfolgend erörtert, weitere Ausbildungen eines Sensors sind in 4 dargestellt. Mit diesen können Feuchtigkeiten gemessen werden. In 4 unten ist dabei ein erster Sensor mit viereckigem Zwischenleitermedium 3' dargestellt, in dessen Mitte sich ein erster Leiter 2d erstreckt, der hier nicht breit ist, sondern als Draht ausgebildet ist. Auf zwei Seiten des Zwischenleitermediums 3' sind zwei weitere Leiterdrähte 2e, 2f angeordnet, die frei auf den Außenseiten liegen. Es können damit die Impulsantworten bei Aufgabe von Spannungsimpulsen auf das Leiterpaar (2d 2e), (2d 2f) sowie (2e 2f) gemessen werden.
Die Impulsantwort des Sensors auf Paare (2d 2e) bzw. (2d 2f) gibt jeweils eine Deformation in unterschiedlicher Richtung an. Der Sensor ist damit richtungsempfindlich. Wenn zwischen den Sensoren (2e 2f) gemessen wird und der Sensor beispielsweise im Erdreich verlegt ist, wird die Impedanz, d. h. der Wellenwiderstand eines sich entlang des Leiterpaares (2e 2f) ausbreitenden Pulses mitbestimmt sein durch die Eigenschaften des umgebenden Erdreichs und damit abhängig sein von der Untergrundfeuchte. Es ist also durch einfache Messung unter schiedlicher Leiterpaare möglich, sowohl die Kraftrichtung als auch die Bodenfeuchte zu ermitteln. Dies kann für viele Anwendungen vorteilhaft sein.
Nachteilig bei dem in 4 unten dargestellten Sensor ist jedoch, dass dieser unbedingt torsionsfrei einzubauen ist, damit die Kraftrichtung sicher bestimmt werden kann. Die Sensoranordnung von 4 oben schafft hier insoweit Abhilfe, als dass dort mehrere Leiter über ein hier rund ausgebildetes Zwischenleitermedium spiralförmig gewickelt sind. Es kann damit eine Messung gegen den Innenleiter, gleichfalls dargestellt, erfolgen. Eine Torsinn ist hier unkritischer. Durch Bestimmung der Stelle, entlang welcher eine Deformation auftritt, kann dann gleichzeitig auf Richtung geschlossen werden. Das Vorsehen verschiedener Leiterpaare, die insbesondere auch mit unterschiedlichen Steigungen auf dem Zwischenleiter 3'' aufgezogen sein können, ermöglicht es, noch bessere Informationen zu erhalten.
Zusammenfassend wurde gezeigt, dass mit Zeitdomainenreflektometrie durch Verwendung eines geeigneten Sensors, der offenbart wurde, Messungen in hoher örtlicher Auflösung auch von solchen Prozessen ermöglicht wird, die als hydraulisch/mechanisch gekoppelte Prozesse aufgefasst werden müssen, was die Untersuchung von Größen wie Totaldruck, Saugspannung in feuchten und quellfähigen Materialen ermöglicht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 6956381 B2 [0007]
- JP 10062368 A [0007]
- DE 69300419 T2 [0008]
- EP 0628161 B1 [0008]
- US 6838622 B2 [0009]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- „Theorie der Zeitbereichsreflektometrie" von Dieter Dahlmeyer, in elektronik industrie 2-2001 [0003]
- Kane Geotech Ing., Stockton, CA [0005]
- „Monitoring Slope Movement with Time Domain Reflectometry" von W. F. Kane [0006]
- „Monitoring of Dams and Dikes-Water Content Determination using Time Domgin Reflectometry (TDR)" [0010]
- „A fast TDRinversion technique for the reconstruction of spatial soil moisture content" von S. Schlaeger, veröffentlicht in Hydrologs an Earth System Sciences 9, 481–492, 2005 [0010]
- Paul A. Walter, Empfehlung des Arbeitskreises 3.3 – Versuchstechnik Fels der Deutschen Gesellschaft für Geotechnik e. V.: Messung der Spannungsänderung im Fels und an Felsbauwerken mit Druckkissen-Bautechnik, 81: 639–647 [0024]

Claims

Sensor mit einer Leiteranordnung und einem Zwischenleiterdielektrikum, um lokale Sensorimpedanzänderungen im Ansprechen auf äußere Kräfte zu erfassen, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiteranordnung langgestreckte Leiterstreifen umfasst, zwischen denen das Zwischenleiterdielektrikum als komprimierbares Isolationsmedium angeordnet ist.
Sensoranordnung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenleiterdielektrikum dazu angeordnet ist, zumindest ein Leiterpaar der Leiteranordnung auch in seinem komprimierten Zustand voneinander zu isolieren.
Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenleiterdielektrikum gegen Wasser- und/oder Feuchtigkeitsaufnahme geschützt ist.
Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehr als zwei Leiter und/oder mehr als ein Dielektrikum vorgesehen sind.
Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiteres Dielektrikum zur Feuchtigkeitsbestimmung vorgesehen und/oder ausgebildet ist.
Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenleiterdielektrikum sandwichartig zwischen zwei Leiterstreifen angeordnet ist.
Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenleiterdielektrikum elastisch komprimierbar und/oder bei typisch erwarteten Maximallasten eine nur geringe Hysterese und/oder plastische Deformation aufweist.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiter-/Zwischendielektrikumanordnung zumindest einseitig, be vorzugt beidseitig eine lastverteilende Versteifungsschicht zugeordnet ist und/oder die Leiterlastverteilung bewirken.
Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnen eine Gesamtlänge > 1 m, insbesondere > 5m, insbesondere bevorzugt > 10 m aufweisen.
Sensoranordnung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ein geschäumter Kunststoff als Zwischenleiterdielektrikum verwendet wird.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass korrosionsfeste Leiter, insbesondere aus Kupfer und/oder Edelstahl verwendet werden.
Verwendung eines Sensors, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, zur Erfassung der örtlichen Verteilung von Verformungen und/oder mechanischen Drücken mit Zeitdomainenreflektometrie, wobei langgestreckte Sensoren mit gegeneinander beweglichen, insbesondere reversibel beweglichen Leiterpaaren kraft- und/oder bewegungsabhängig deformiert werden und eine auf die Impedanz abhängige Größe der Sensoranordnung bestimmt wird.