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Die vorliegende Erfindung betrifft einen (nach dem Messprinzip) elektrischen Flüssigkeitssensor, insbesondere Leckagesensor, sowie einen Flüssigkeitsbehälter und eine Rohrleitung für Flüssigkeiten mit demselben.
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Eine Leckage, wie z. B. ein Wassereinbruch, die unbemerkt bleibt, kann schwerwiegende Folgen, wie z. B. Schäden an einer Anlage, Gefährdung von Mitarbeitern, Erhöhung des Brandrisikos, Verschmutzung der Umwelt und Produkt- und Datenverluste, haben. Beispielsweise bei Beschichtungen an Baukörpern, z. B. von Behälterabdichtungen für wassergefährdende Flüssigkeiten, können Beschädigungen normalerweise nicht zerstörungsfrei und ohne z. B. den Behälter zu entleeren, mittels Sensoren festgestellt werden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Flüssigkeitssensor mit einer flachen Geometrie für viele Anwendungen bereitzustellen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch einen elektrischen Flüssigkeitssensor, insbesondere Leckagesensor, umfassend: eine im trockenen Zustand elektrisch leitfähige, vorzugsweise flexible Schicht aus elektrisch leitfähigen Fasern, die durch ein bei Kontakt mit einer Flüssigkeit quellfähiges Bindemittel gebunden sind, und zwei elektrische Kontakte zum Anschließen an eine Stromquelle.
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Vorteilhafterweise sind die elektrisch leitfähigen Fasern Kohlenstofffasern, Graphitfasern oder Metallfasern, insbesondere Faserkurzschnitte.
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Günstigerweise beträgt das Verhältnis von Länge zur Dicke (Aspektverhältnis) der Fasern mindestens 100:1.
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Vorteilhafterweise beträgt die Dicke der Fasern weniger als 10 μm.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass sich die elektrische Leitfähigkeit der Schicht bei Quellen des Bindemittels durch Kontakt mit einer Flüssigkeit abrupt oder allmählich ändert. Die Änderung kann in einer Leitfähigkeitsabnahme oder sogar in einem Leitfähigkeitsverlust, aber auch in einer Leitfähigkeitszunahme bestehen.
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Besonders bevorzugt ist der Flüssigkeitssensor mehrfach verwendbar. Mit anderen Worten wird die elektrische Leitfähigkeit bei Kontakt mit Flüssigkeit nicht irreversibel geändert.
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Zweckmäßigerweise weist die Schicht eine Dicke im Bereich von 2–3 mm auf.
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Bevorzugt ist die elektrische Leitfähigkeit der Schicht im Arbeitsbereich des Flüssigkeitssensors im wesentlichen temperaturstabil.
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Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung kann der Flüssigkeitssensor einen vorzugsweise flexiblen, vorzugsweise flächen- oder streifenförmigen, Träger, insbesondere aus einem Kunststoffvlies, Kunststoffgewebe oder -gelege, für die Schicht aufweisen.
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Zweckmäßigerweise ist das Bindemittel eine Dispersion oder ein Reaktionsharz, z. B. ein Epoxidharzsystem.
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Weiterhin liefert die Erfindung einen Flüssigkeitsbehälter mit einem Flüssigkeitssensor nach einem Ansprüche 1 bis 10 und eine Rohrleitung für Flüssigkeiten mit einem Flüssigkeitssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
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Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass durch die Verwendung einer Schicht aus elektrisch leitfähigen Fasern, die durch ein bei Kontakt mit einer Flüssigkeit quellfähiges Bindemittel gebunden sind, sich ein Flüssigkeitssensor mit einer flachen Geometrie herstellen lässt. Es wurden bereits Flüssigkeitssensoren mit einer Schichtdicke von 2–3 mm realisiert und erfolgreich getestet. Dadurch kann er z. B. in eine Abdichtungsschicht oder benachbart dazu angeordnet werden, um bspw. eine Leckortung bei einer Rissausbildung vorzunehmen.
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Der erfindungsgemäße Flüssigkeitssensor lässt sich auch sehr kostengünstig herstellen. Es sind keine speziell konstruierten Leiterbahnen erforderlich. Die Herstellung kann mittels eines Mischbehälters für die Vermischung der elektrisch leitfähigen Fasern mit dem Bindemittel und einem Auftragsrakel zur Verteilung des Faser/Bindemittel-Gemisches erfolgen.
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Zudem kann der Flüssigkeitssensor beliebig konfektioniert werden. Vor dem Einbau kann er mittels einer Schere oder eines Messers in eine beliebige Form geschnitten werden.
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Der Flüssigkeitssensor weist auch eine hohe Flexibilität und Verformbarkeit auf. Er kann z. B. ringförmig gebogen oder in eine Schleifenform gebracht werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich anhand der beigefügten Ansprüche und der nachfolgenden Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen in Verbindung mit den schematischen Zeichnungen, in denen:
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1 eine Seitenansicht von einem elektrischen Flüssigkeitssensor gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2 eine Seitenansicht eines elektrischen Flüssigkeitssensors gemäß einer zweiten besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
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3 eine perspektivische Ansicht von dem Flüssigkeitssensor von 2 in schematischer Darstellung zeigt;
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4 einen Flüssigkeitsbehälter mit einem elektrischen Flüssigkeitssensor gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung im Schnitt zeigt;
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5 zwei mögliche Anordnungsbeispiele für den elektrischen Flüssigkeitssensor von 4 zeigt; und
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6 eine Rohrleitung für Flüssigkeiten mit einem elektrischen Flüssigkeitssensor gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung zeigt.
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Der in der 1 gezeigte elektrische Flüssigkeitssensor 10 umfasst eine im trockenen Zustand elektrisch leitfähige flexible Schicht 12 aus elektrisch leitfähigen Fasern, von denen nur einige mit der Bezugszahl 14 gekennzeichnet sind und die durch ein bei Kontakt mit einer Flüssigkeit (nicht gezeigt) quellfähiges Bindemittel 16 gebunden sind, und zwei elektrische Kontakte 18 und 20 zum Anschließen an eine externe Stromquelle (Gleichstromquelle) (nicht gezeigt).
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Der in 2 dargestellte elektrische Flüssigkeitssensor 22, bei dem der Einfachheit halber die Kontakte nicht eingezeichnet worden sind, unterscheidet sich von dem Flüssigkeitssensor 10 der 1 darin, dass er zusätzlich einen Träger 24 aufweist, auf dem die Schicht 12 angeordnet ist, so dass man den resultierenden Flüssigkeitssensor 22 auch als ein flexibles, dünnes Komposit bezeichnen kann. Der Flüssigkeitssensor 22 ist gemäß 3 in Draufsicht (mit Kontakten dargestellt) rechteckig oder streifenförmig gestaltet.
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Bei den in den 1 bis 3 gezeigten Flüssigkeitssensoren 10 und 22 können die elektrisch leitfähigen Fasern 14 bspw. aus Kunststoff, Graphit oder Metall bestehen. Das Bindemittel 16 kann bspw. eine Dispersion oder ein Reaktionsharz, z. B. ein Epoxidharzsystem, sein.
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Bei dem in der 1 gezeigten Flüssigkeitssensor 10 sind die elektrisch leitfähigen Fasern 14 mit Hilfe einer Form, z. B. einer flachen Wanne oder ähnliches (nicht gezeigt), zusammen mit dem Bindemittel 16 in eine dünne, z. B. blattartige Form gebracht. Im Falle des Flüssigkeitssensors gemäß den 2 und 3 können die elektrisch leitfähigen Fasern 14 mit Hilfe des Bindemittels 16 vollflächig auf dem Träger 24 fixiert sein.
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Die Ausrichtung der Fasern 14 ist normalerweise nicht von Bedeutung. Es ist jedoch wichtig, dass eine so große Menge an elektrisch leitfähigen Fasern verwendet wird, dass ein hinreichender, messbarer Stromfluss bei Anlegen einer externen Stromquelle aufgebaut werden kann. Mit anderen Worten müssen ausreichend Kontaktpunkte zwischen den Fasern vorhanden sein.
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Der Träger 24 des Flüssigkeitssensors 22 gemäß den 2 und 3 kann z. B. aus einem Kunststoffvlies, einem Kunststoffgewebe oder einem Kunststoffgelege bestehen.
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Unabhängig von dem Anwendungsfall funktionieren die Flüssigkeitssensoren 10 bzw. 22 wie folgt:
Über die Kontakte 18 und 20 wird eine niedrige Gleichspannung von z. B. 10 Volt an die trockene Schicht 12 angelegt. Dann fließt ein konstanter elektrischer Strom. Dieser elektrische Stromfluss bleibt solange bestehen, bis der Flüssigkeitssensor mit einer Flüssigkeit in Kontakt kommt. Nun beginnt das Bindemittel 16 zu quellen, d. h., es findet eine Volumenausdehnung statt. Diese Volumenausdehnung des Bindemittels 16, in dem die Fasern 14 eingebettet sind, führt zu einer Reduktion der Kontaktpunkte zwischen den Fasern und damit zu einer Unterbrechung des elektrischen Stromflusses. Dieser Prozess ist reversibel, d. h. nach Trocknung der Schicht 12 gelangen die Fasern 14 wieder miteinander in Kontakt und es fließt wieder ein elektrischer Strom.
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In einem Ausführungsbeispiel wurden unverzweigte Kunststofffasern (Karbonfasern, Graphitfasern), sogenannte Faserkurzschnitte, als Fasern 14 verwendet. Für die Erreichung eines flexiblen dünnen Flüssigkeitssensors 10 bzw. 22 werden hohe Aspektverhältnisse bevorzugt, d. h. dass das Verhältnis von Länge zu Dicke der Fasern 14 bei mindestens 100:1 liegt, wobei unter praktischen Gesichtspunkten nur Faserkurzschnitte mit Durchmessern (Dicken) kleiner als 10 μm bevorzugt verwendet werden sollten. In dem vorgenannten Ausführungsbeispiel sahen die Faserparameter wie folgt aus:
Länge: ca. 3 mm, Dicke: ca. 7 μm,
Dichte: 1,78 g/cm3
Einzelfasernprogramm: ca. 4 Mill.
Faseroberfläche pro Gramm: ca. 5500
Zugfestigkeit: 2500 N/mm2
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Die 4 und 5 zeigen einen Flüssigkeitssensor bspw. gemäß 1 oder den 2 und 3 im Einsatz bei einem Flüssigkeitsbehälter 26 beispielsweise aus Beton. Der Flüssigkeitsbehälter 26 weist eine Beschichtung 28 zur Abdichtung des Flüssigkeitsbehälters auf, damit z. B. grundwassergefährdende Flüssigkeiten, nicht austreten können. Ein Flüssigkeitssensor 22 (bzw. 10) ist in der Beschichtung 28 angeordnet. Er soll es ermöglichen, Beschädigungen der Beschichtung 28 zerstörungsfrei und ohne z. B. den Flüssigkeitsbehälter 26 zu entleeren, festzustellen. Genauer gesagt, befindet sich der Flüssigkeitssensor 22 zwischen dem Beschichtungsuntergrund, d. h. dem Beton, und der Beschichtung 28, z. B. einer Polyurethan- oder einer Epoxidharzbeschichtung. Elektrisch leitfähige Kontakte (nicht gezeigt) zur Herstellung einer Verbindung zu einer externen Stromquelle (nicht gezeigt) bleiben dabei freizugänglich.
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Zur zeitnahen und (räumlich) präzisen Leckortung könnten ganz allgemein die Flüssigkeitssensoren auch großflächig ausgebildet oder rasterförmig angeordnet sein. Die Überprüfung der Dichtheit kann zudem kontinuierlich oder aber diskontinuierlich durch jeweiliges Anlegen einer elektrischen Spannung erfolgen. Außerdem kann der Flüssigkeitssensor mit einer Alarmeinrichtung (nicht gezeigt) verbunden sein.
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Schließlich zeigt 6 einen Einsatz des Flüssigkeitssensors 10 bzw. 22 bei einer Rohrleitung 30 für Flüssigkeit. Genau wie bei dem Flüssigkeitsbehälter 26 kann sich bei der Flüssigkeit 32 in der Rohrleitung 30 bspw. um Wasser, eine Säure, eine Lauge, eine Salzlösung etc. handeln. Der Flüssigkeitssensor kann streifenförmig gestaltet sein und sich bspw. über den gesamten Umfang der Rohrleitung 30 erstrecken, wie dies in der 6 angedeutet ist.
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Es ist grundsätzlich möglich, dass sich aufgrund von Umwelteinflüssen im Verlauf der Einbauzeit eine langsame Änderung des Stromflusses und damit der elektrischen Leitfähigkeit in der Schicht 12 einstellt. Dabei ist sowohl ein Anstieg als auch ein Sinken des elektrischen Stromflusses denkbar. Das auslösende Signal für die Feststellung des Kontakts des Flüssigkeitssensors mit einer Flüssigkeit besteht jedoch normalerweise in der spontanen Änderung der Steigung der Messkurve (Stromfluss [Ampere] in Abhängigkeit von der Zeit [Sekunden]). Dabei kann es zudem zu einer Umkehrung des Vorzeichens der Steigung kommen. Erfahrungsgemäß liegt der Faktor zwischen dem Betrag der Ausgangssteigung der Messkurve und dem Betrag der signalauslösenden Stromflussänderung bei mindestens 1:2 (d. h. der Betrag der Steigung des Messsignals ist mindestens zweimal höher als der Betrag der Ausgangssteigung). Eine abrupte Änderung der elektrischen Leitfähigkeit kann auch in dem Durchlaufen eines Wendepunktes der Messreihe des elektrischen Stromflusses in Abhängigkeit von der Zeit gesehen werden.
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Bei einer allmählichen Änderung der elektrischen Leitfähigkeit kann dagegen ein Wendepunkt in der Auftragung des elektrischen Stromflusses in Abhängigkeit von der Zeit fehlen.
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Die in der vorliegenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Flüssigkeitssensor
- 12
- Schicht
- 14
- Fasern
- 16
- Bindemittel
- 18, 20
- Kontakte
- 22
- Flüssigkeitssensor
- 24
- Träger
- 26
- Flüssigkeitsbehälter
- 28
- Beschichtung
- 30
- Rohrleitung
- 32
- Flüssigkeit
