NO327090B1 - Detektorsystem - Google Patents

Description

Teknisk område

Denne oppfinnelsen angår et detektorsystem omfattende strukturer for deteksjon av miljøpåvirkning.

Bakgrunnsteknikk

Fra den kjente teknikk skal det vises til tradisjonelle fuktdetektorer, så som detektorer basert på endring av elektriske lederegenskaper i materialer som tar opp fukt, sonder for kapasitiv deteksjon av fukt, optisk deteksjon av væsker og deteksjon av væsker ved kortslutning av elektroder. Ulempene med de foreliggende metoder er flere. Anordningene er typiske håndholdte apparater utstyrt med prober som settes i direkte kontakt med materialet som skal undersøkes for fukt. Løsninger basert på fuktopptakende materialer vil kunne oppleve kjemisk korrosjon over tid, optiske metoder krever typisk at det er såpass store mengder fukt at vann forekommer i fri form, og anordninger basert på elektrisk kontakt med vann krever forholdsvis store mengder vann og kan også få problemer med elektrokorrosjon og andre former for korrosjon.

Typisk for disse utførelsene er at de er enkeltstående enheter som måler fukt i nærmere definerte posisjoner. Kostnadene er ofte store, og egner seg ikke til storskalabasert utplassering.

Fra den kjente teknikk skal det også vises til US 2006254366 som omhandler en matrisesensor som brukes til å overvåke defekter og/eller fukt i strukturer, hvor matrisen videre omfatter spor i to retninger, der sporene står ortogonalt på hverandre..

Endelig av bakgrunnsteknikk skal det vises til US 7 049 830, US 5 283 711, US 2007 131 020, GB 2 198 237, US 4 564 882 og US 4 080 593.

Formålet med oppfinnelsen

Med utgangspunkt i den beskrevne teknikkens stand er formålet med oppfinnelsen å stille til disposisjon en robust struktur for overvåking av større arealer til en lav kostnad, som kan utplasseres med enkelhet, kan legges fast inn i strukturer så som bygninger så vel som støp og betong, og egner seg for enkel produksjon og overvåking.

Angivelse av oppfinnelsen

I følge oppfinnelsen, løses de overnevnte problemer ved et detektorsystem angitt i krav 1 og som har de karakteristiske trekk som angitt i den kjennetegnende del av kravet.

Ifølge oppfinnelsen oppnås dette formål med et detektorsystem som omfatter ett eller flere detektorspor anordnet med i hovedsak fast avstand i en struktur av et i hovedsak isolerende materiale, eventuelt utført som en eller flere garnliknende moduler som kan koples sammen for å dekke større arealer, der hver modul omfatter en garnstruktur med ett eller flere langsgående detektorspor i én retning, eventuelt to retninger som hovedsakelig står normalt på hverandre slik at det dannes en hovedsakelig rektangulær struktur, der hver ende eventuelt hver av de fire sider er terminert med en kontakt for tilslutning til nærliggende liknende moduler, eventuelt endeterminering til et avlesningsnettverk. I en typisk utførelse er denne strukturen utført som ledninger på et foliemateriale. I en annen utførelse er strukturen utført som en serie tråder som eventuelt krysser hverandre, der krysningene eventuelt kan stabiliseres med en stabiliseringsanordning.

Kort beskrivelse av tegningene

Figur 1 viser en typisk utførelse av et detektorsystem ifølge oppfinnelsen der flere moduler er satt sammen for å dekke et større areal.

Figur 2 viser en modul med tråder, termineringer og kontakter.

Figur 3 viser et tverrsnitt av en utførelse av en tråd benyttet i en garnstruktur. Figur 4 viser en detalj der to tråder krysser hverandre hvor de er stabilisert i krysningspunktet.

Nærmere beskrivelse av utførelser

Oppfinnelsen skal i det følgende beskrives nærmere under henvisning til tegningsfigurene, der figur 1 viser detektorsystemet i en typisk utførelse. En installasjon 10 omfatter seks moduler 20 for å overvåke et areal 11. Hver modul 20 er koplet sammen med sin nærmeste nabo ved hjelp av en koplingsanordning 12. Modulene 20 er også koplet til en databuss 13, som igjen fører signalene til en overvåkingsenhet 14.

Figur 2 viser en enkeltmodul omfattende en første endekontakt 21 som terminerer en serie tråder 23 via en sammenkopling 25. Tilsvarende, i en retning som er hovedsakelig normal på endekontakten 21 er det anordnet en andre endekontakt 22 som terminerer et antall tråder 24 som føres via en sammenkopling 26.

En slik modul kan utføres på flere måter, i én utførelse som ledere på et substrat, typisk utført som trykte ledere på eksempelvis en acetat, en fleksibel folie, egnet for å legge på strukturer for eksempel innvendig i tak, der folien transporteres på rull, og deretter rulles ut i nødvendig lengde, og kappes etter behov. En slik utførelse kan med egnet substrat også fungere som en diffusjonssperre, eksempelvis anrettet innvendig i bygg. I en annen utførelse er modulen utført som en serie tråder i en maskestruktur, ikke ulikt et garn. Denne utførelsen er egnet for å legges inn i en støp, betong, plast eller andre materialer. For å opprettholde mekanisk stabilitet og bruddfasthet er det viktig at det ikke finnes skarpe kanter eller andre strukturer med små krumningsradier.

Figur 3 viser et tverrsnitt av en tråd 23, 24 der tråden 30 omfatter to elektriske ledere 33 og 34 anordnet i et elektrisk isolerende materiale 32 på en slik måte at de ikke er i direkte elektrisk kontakt med hverandre. Elektriske ledere 33 og 34 er anordnet langs overflaten av isolerende materiale 32 der dette er miljømessig mulig, men der det er et korrosivt miljø, er det en fordel at isolerende materiale 32 også omslutter lederne 33 og 34. Eventuelt kan også et funksjonelt materiale 31 anordnes i kjernen av isolatoren 32. Fukt detekteres ved å måle endring i kapasitansen som oppstår mellom lederne 33 og 34. En slik endring i kapasitans måles fordelaktig ved hjelp av en vekselstrøm. Et eventuelt funksjonelt materiale 31 kan benyttes for å måle andre egenskaper resistivt, eksempelvis temperatur ved å benytte et materiale som endrer elektrisk resistivitet avhengig av temperaturen. Ved å bruke en struktur som vist i figur 3, vil resistiviteten kunne måles uten å bli forstyrret av kapasitansen ved å pålegge en likespenning over lederne 33 og 34, for derved å måle lekkasjestrømmen som går gjennom kjernen 31. Der tråden 30 er lang, vil lekkasjestrømmen fra leder 33 gjennom isolator 32 til funksjonelt elektrisk materiale 31 og derfra gjennom isolator 32 til leder 34 være tilstrekkelig til å gi et lesbart signal. Alternativt kan en resistiv del anordnes mellom leder 33 og funksjonelt elektrisk materiale 31, og mellom leder 34 og funksjonelt elektrisk materiale 31. På denne måten kan man måle flere parametere ved bruk av samme trådstruktur. Alternativt kan fukt måles resistivt mellom lederne 33 og 34, der lederne er delvis uisolerte. Isolatoren 32 kan alternativt utføres som et optisk fiber for overføring av høyhastighetssignaler over lengre avstander. Et slikt fiber kan også fungere som sensor ved måling av optiske egenskaper som eksempelvis optisk tap, brytning og spredning. Fibret kan anordnes med kombinasjoner av funksjonelle materialer i kjernen av fibret og kappen rundt fibret, for på den måten endre optiske egenskaper når de funksjonelle materialer endrer egenskaper som for eksempel svelling ved opptak av fukt og endring av brytningsindeks ved kontakt med kjemikalier.

Figur 4 viser en krysning 40 mellom en tråd 23 og en tråd 24 der disse krysser hverandre. Ved å anordne en støttestruktur 41 mellom trådene sikrer man stabilitet i maskestrukturen. Støttestrukturen 41 kan også utstyres med et første funksjonelt materiale der ytterligere miljøpåvirkning som for eksempel, men ikke begrenset til, kjemisk påvirkning, røyk, mekanisk endring og vibrasjoner kan måles ved å måle resistansen mellom en leder 34 i tråden 23 og en annen elektrisk leder 35 i den andre tråd 24. Ved ytterligere å anordne et element 42 som forbinder en leder 33 i tråden 23 og en annen elektrisk leder 36 i den andre tråd 24, med et andre funksjonelt materiale, kan ytterligere typer av miljøpåvirkning detekteres. Også når det gjelder funksjonelle materialer som i støttestrukturen 41 og elementet 42 kan det være en fordel enten å fjerne isolasjonen rundt lederne 33, 34, 35 og 36, eller å anordne en resistiv del mellom lederne og støttestrukturen 41 og elementet 42. Støttestrukturen 41 og elementet 42 er ikke begrenset til å være sensorer, men kan eksempelvis, men ikke begrenset til, også være strømforsyning til andre funksjoner så som indikatorer, alarmer, signalforsterkere, feilsøking med mer. Tråder kan anordnes med ledere snodd i et spiralmønster for på den måten å overføre høyfrekvente signaler over lengre avstander uten degradering av signaler, eksempelvis til bruk i nettverk og ultralydskomponenter. Dersom lederne snoes ved at hele tråden snoes, kan denne stabiliseres med støttestruktur 41.

Overvåkingsenheten 14 overvåker ved å operere på den i det minste ene modul 20 typisk i flere modi sekvensielt. I en første modus påtrykkes en vekselspenning, og overvåkingsenheten måler endringen i impedans som oppstår når fukt øker den dielektriske permittivitet for kondensatoreffekten som oppstår mellom de to ledere 33 og 34. I en andre modus påtrykkes en likespenning, og resistansen gjennom det funksjonelle materiale 31 måles. I en tredje modus påtrykkes en spenning på en første leder 34 på den første tråd 23 og på en første leder 35 på den andre tråd 24 for å måle en elektrisk egenskap som for eksempel resistansen i det funksjonelle materiale 41 mellom ledere 34 og 35.1 en fjerde modus påtrykkes en spenning på en andre leder 33 på den første tråd 23 og på en andre leder 36 på den andre tråd 24 for å måle en elektrisk egenskap som for eksempel resistansen i det funksjonelle materiale 42 som er anordnet mellom lederne 33 og 36. Avstanden gjennom det funksjonelle materiale 42 er typisk lengre enn gjennom det funksjonelle materiale 41, og det kan derfor være hensiktsmessig å bruke denne modus til strømforsyning av andre funksjoner eller signalisering gjennom eksempelvis lysdioder. Enkelte modi kan kombineres, eksempelvis den første modus og den andre modus ved å påtrykke en vekselspenning med en likespenningsforskyvning. Tråder kan overvåkes enkeltvis, eller flere ad gangen, sekvensielt eller kontinuerlig. Tråder kan også unntas fra overvåking for på den måten å ha reserver inntil spesielle behov melder seg, eksempelvis der nærliggende tråder slites ut. Dette er spesielt gunstig der tråder er utsatt for slitasje, eksempelvis gjennom elektrokorrosjon.

Ved bruk av optisk fiber, benytte overvåkingsenheten 14 egne modi for disse. I en første optiske modus sendes pulser ut, og intensitet av mottatte reflekterte pulser måles, for på den måte å måle endringer i optisk brytningsindeks. I en andre modus sendes lys inn i en ende av et fiber og overført lys måles i en andre ende av fibret. Fra den kjente teknikk er det kjent fremgangsmåter for å måle med fiberoptiske sensorer egenskaper så som elektrisk og magnetisk felt, trykk, temperatur, akustikk, vibrasjon, lineær- og vinkelposisjon, strekk og fukt.

Ved installasjon vil overvåkingsenheten tilveiebringe feilsøkingsinformasjon og gjennomføre kalibrering av systemet. Overvåkingsenheten rapporterer målingene videre, eksempelvis gjennom et nettverk.

Funksjonelle materialer kan eksempelvis være materialer som endrer motstand med temperatur eller kjemisk påvirkning, strekklapper som måler mekanisk påkjenning eller brytbare elektriske forbindelser som brytes når en terskel for mekanisk, termisk eller elektrisk påvirkning overstiges. Brytbare elektriske forbindelser vil tilveiebringe informasjon om hendelser selv der hendelsene finner sted i perioder mellom to målinger. Dette muliggjør langsomme og derved nøyaktige målinger for derved å detektere selv små endringer i elektrisk karakteristikk.

Moduler koples sammen med koplingsanordningene 12. En slik kopling kan være passiv slik at sammenkoplede moduler fremstår elektrisk som en stor modul. Under installasjon kan det være en fordel å bruke en første type aktive koplinger for å verifisere at modulen er feilfri og at signaler går igjennom alle sammenkoplede moduler. For større systemer kan en andre type aktive koplinger være nyttig, der signaler forsterkes for å tillate signaler å operere over lange avstander. I et slikt tilfelle kan disse forsynes med strøm ved at overvåkingsenheten opererer en første del av en modul i en fjerde modus og en annen del av modulen i en annen modus. En tredje type aktive koplinger kan anordnes langs de sammenkoplede modulers periferi for å konvertere de typisk parallelle signaler i modulene til seriedata for videresending langs databussen 13, for derved å redusere antall nødvendige ledninger. En fjerde type kopling kan tilveiebringe omruting av signaler for å komme rundt defekter i ett spor i en modul slik at virkningen av defekter påvirker bare modulen der defekten oppstod og ikke de tilkoplede moduler. En femte type kopling tilveiebringer også optisk tilkopling, eventuelt også optisk/elektrisk omforming. Som et alternativ til databussen 13 kan signaler fra kantene av modulene overføres trådløst.

Industriell anvendbarhet

Systemet ifølge oppfinnelsen er egnet for overvåking av fukt innvendig i hus, overvåking av strukturer som for eksempel tunneler, broer, demninger og kaier for vanninntrenging og kjemisk påvirkning som lekkasjer og korrosjon, og mekaniske påkjenninger som for eksempel ras, overvåking av temperatur, eksempelvis koplet til et brannvarslingssystem for å lede folk i optimal retning ved brannevakuering, så vel som for å måle brudd i større strukturer.

I en utførelse som en trådstruktur med tråder i én retning, kan dette nyttes til å overvåke eksempelvis tunneler, der en oppdaget fare i en hvilken som helst tråd kan være grunn for å stenge tunnelen.

I en utførelse som garnstruktur, med tråder i to retninger, kan en miljøpåvirkning krysspeiles og lokaliseres med en oppløsning som er avhengig av størrelsen av maskene i garnstrukturen.

Claims (9)

1. Detektorsystem, karakterisert ved at det omfatter to eller flere spor anordnet med i hovedsak fast innbyrdes avstand i en struktur (20) av et i hovedsak isolerende materiale, idet sporene er langsgående detektorspor i én retning, eventuelt to retninger der sporene står i hovedsak 90° på hverandre, idet hvert spor detekterer en miljøpåvirkning i sporets nærhet.

2. System ifølge krav 1, karakterisert ved at sporene er trykket som elektriske ledere på et isolerende substrat.

3. System ifølge krav 2, karakterisert ved at substratet er fleksibelt.

4 System ifølge krav 2 eller 3, karakterisert ved at substratet er en diffusjonssperre.

5. System ifølge krav 1, karakterisert ved at strukturen (20) er åpen idet sporene er anordnet som tråder (23, 24) i et garn, idet hver tråd omfatter en første elektrisk leder (33) og en andre elektrisk leder (34), idet de to elektriske ledere er skilt fra hverandre med en elektrisk isolator (32).

6. System ifølge et av kravene 2-5, karakterisert ved at isolatoren er forsynt med et funksjonelt materiale (32) i kjernen i hovedsak mellom de elektriske ledere slik at miljøpåvirkning av det funksjonelle materiale vil endre elektriske egenskaper utlesbart av de elektriske ledere.

7. System ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at et funksjonelt materiale (41) er anordnet mellom minst to ledere tilhørende minst to spor (23, 24) der sporene krysser hverandre, slik at miljøpåvirkning av det funksjonelle materiale (41) vil endre elektriske egenskaper utlesbart av de elektriske ledere.

8. System ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at strukturen er minst en modul (20) som er forsynt med endekontakter (21, 22) langs periferien for tilkopling til ytterligere moduler.

9. System ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at strukturen er innrettet for å operere i flere modi omfattende vekselstrømsmodus, likestrømsmodus, en tredje modus ved påtrykk av en spenning på en første leder (34) på en første tråd (23) og på en første leder (35) på en andre tråd (24), og en fjerde modus ved påtrykk av en spenning på en andre leder (33) på den første tråd (23) og på en andre leder (36) på den andre tråd (24); for måling av verdier så som impedans og resistans, samt til strømforsyning.