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WO2008135040A2 - Kapazitive kraftsensoranordnung - Google Patents

Kapazitive kraftsensoranordnung Download PDF

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Publication number
WO2008135040A2
WO2008135040A2 PCT/DE2008/000783 DE2008000783W WO2008135040A2 WO 2008135040 A2 WO2008135040 A2 WO 2008135040A2 DE 2008000783 W DE2008000783 W DE 2008000783W WO 2008135040 A2 WO2008135040 A2 WO 2008135040A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
conductor
sensor
dielectric
sensor arrangement
arrangement according
Prior art date
Application number
PCT/DE2008/000783
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English (en)
French (fr)
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WO2008135040A3 (de
Inventor
Alexander Scheuermann
Christof HÜBNER
Holger WÖRSCHING
Andreas Bieberstein
Stefan Schlaeger
Rainer Schuhmann
Rolf Becker
Rolf NÜESCH
Original Assignee
Universität Karlsruhe (Th)
Hochschule Mannheim
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Universität Karlsruhe (Th), Hochschule Mannheim filed Critical Universität Karlsruhe (Th)
Priority to US12/599,045 priority Critical patent/US20110037483A1/en
Priority to DE112008001742T priority patent/DE112008001742A5/de
Priority to EP08758041A priority patent/EP2158464A2/de
Publication of WO2008135040A2 publication Critical patent/WO2008135040A2/de
Publication of WO2008135040A3 publication Critical patent/WO2008135040A3/de

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/14—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators

Definitions

  • the present invention relates to the preamble claimed and thus relates to sensors responsive to applied forces.
  • TDR time domain reflectometry
  • a device for leak detection in pipes is known.
  • a fluid conducting leak detection conduit surrounded around its periphery with a flexible fluid permeable conductive material and comprising a series of parallel insulated electrical conductors extending generally longitudinally along the Conductor and wrapped around the outside of said flexible conductive material, the insulated electrical conductors having bare conductor elements exposed in the adjacent regions of the insulated conductor material at the location of the insulated conductor material adjacent to the flexible conductive material.
  • the object of the present invention is to provide new products for commercial use.
  • the present invention thus proposes, in a first aspect, a sensor having a conductor arrangement and an inter-conductor dielectric for detecting local sensor impedance changes in response to external forces, wherein the conductor arrangement is provided comprising elongated conductor strips, between which the inter-conductor dielectric is arranged compressible insulation medium.
  • the intermediate conductor dielectric is still completely isolated even in the compressed state. It should be noted, however, that it would be possible to first observe an impedance change during compression, which is due to a continuous change in the conductor geometry, in order then to effect a contacting of the conductors in a final state, such as per se out of state known to the art. In such a case, an end position of the compression movement could be displayed. In the preferred variant, however, this is precisely what is prevented because, as a rule, local contacting of conductors results in Art strong changes in impedance can be obtained that quantitative measurements are affected elsewhere.
  • the intermediate conductor dielectric is protected in a preferred variant against water and / or moisture absorption or against the inclusion of any fluids that can lead to changes in impedance, which are not due to force; Mention may be made here, for example, of measurements in or on chemical containers in which a swelling effect caused by chemicals could occur and that the thickness of the intermediate conductor dielectric could change.
  • the protection against such fluids can be done in different ways. It is possible to use an intermediate conductor dielectric which has no or only closed pores, so that no fluids can penetrate into the intermediate conductor and this is protected per se. Alternatively and / or additionally, it is possible to cover the overall arrangement of conductors and intermediate conductor dielectric, which offers several advantages.
  • the conductors are better protected against corrosion and possibly abrasion when inserting a sensor into an opening or recess;
  • changes in the environment for example due to soil moisture, can not lead to a change in the measured values if, for example, a stronger discharge to ground along the cable would occur due to moisture.
  • intermediate conductor dielectric formed as a compressible insulating medium, which is protected against water and / or moisture absorption
  • intermediate conductor dielectric intended for moisture absorption.
  • the interposer dielectric layer of the present invention formed as a compressible insulating medium is preferably sandwiched between two conductor strips. This results in particularly stable sensors that are easy to install.
  • the intermediate conductor dielectric will be elastically compressible or only at higher levels
  • Loads have a plastic deformation or a significant hysteresis.
  • the use of such intermediate conductor dielectrics is advantageous because, for example, low vibrations of the substrate are easier to detect and, moreover, there are a multiplicity of applications in which the alternating load behavior has to be investigated, for example in rail construction for railways, in bridges and the like.
  • the senor may have very considerable lengths. It can easily be manufactured and used for lengths well over a meter.
  • the essential limitation of the sensor length results, on the one hand, from the ever present transverse attenuation of the high-frequency measurement or reflection pulse running along the conductor arrangement and interference from the occurrence of multiple reflections, for example between two sensor locations changed in impedance by external forces but spaced apart from one another. Nevertheless, it will be appreciated that a sensor can have several decameters in length. In particular, measurements in long tunnels, tension bridges and the like are thus possible.
  • a plastic in particular a foamed plastic, is used as the intermediate conductor dielectric, wherein the plastic foaming causes the compressibility.
  • a plastic hermetically surrounding the conductors is typically preferred.
  • - s - Protection is also claimed for the use of a time domain reflectometry sensor, particularly as described above in general or preferred form to quantify deformations and mechanical stresses.
  • Examples of applications include excavation enclosures, determination of embankment and soil deformations, pressure and deformation measurements on components for structural safety assessment, damage and fatigue determination for long-term measurements, in particular in underground mining, preferably in moisture distribution corrected manner, in particular for separation between environmental conditions such as Humidity changes, etc. associated signals and changes due to z. Tectonic rock pressures and the like. This is z. B. advantageous if slipping endangered slopes should be observed len to deliver a long-term behavioral prognosis, which is readily possible due to the readability of the measurements obtained with the present sensor and the large sensor lengths.
  • the use of the sensor arrangement for detecting pressure distributions with regard to orientation and strength and for determining moisture distributions in a continuous or quasi-continuous manner and with time resolution is mentioned as being particularly preferred.
  • inter-conductor dielectrics that are sufficiently temperature-stable to be used in deep wells or well below ground for the measurement purposes mentioned. It is possible to determine deformation and pressure profiles with a high information density, processes coupled with moisture such as swelling, shrinkage, crack pattern and / or relief, in particular if moisture is measured in parallel and / or alternatingly.
  • the measurements can be automated without great equipment expense, which is particularly preferred for monitoring purposes, the sensors are also inexpensive to produce and it is readily possible to create sensor configurations that are particularly adapted to a particular task, such as moisture at a given pressure is detected , an adjustment is made with regard to the operating temperature, an adjustment with respect to the expected
  • Loads on the sensor is made by choosing the intermediate conductor dielectric, a load distribution to avoid
  • temperature-resistant or chemical-resistant sensors are used, which in addition to geotechnical application possibilities significantly expand the spectrum towards industrial monitoring in plant operation.
  • Fig. 1 shows a sensor arrangement of the present invention
  • FIG. 2 shows time domain reflection signals obtained at different local loads of a sensor according to FIG. 1, measured once from the left and once from the right side;
  • FIG. Fig. 3 shows an example of a sensor hysteresis at
  • a sensor 1 generally designated 1, comprises a ladder assembly of two conductors 2a, 2b between which an inter-conductor dielectric 3 is provided to detect local sensor impedance changes in response to external forces represented by force vector f, the conductor assembly is formed by elongated conductor strips 2a, 2b, between which the insectsdielektri- kum is arranged as a compressible insulation medium 3.
  • the sensor 1 is formed in the present case as a sensor for detecting the local distribution of deformations and mechanical pressures over a longer distance of several meters. It is strip-shaped with a width of, for example, about 2 cm and a thickness of about 2.5 cm formed here. In this case, it has, via the conductors 2a, 2b, an enveloping layer 4 extending outward beyond the conductor edge, which is welded or otherwise sealed at the edges and which is made stiffer than the intermediate conductor dielectric layer 3.
  • the conductors 2a, 2b are led out of the end of the sensor and connected for contacting with a coaxial cable, cf. 5, wherein the connection point should not be charged in use, but may be provided with a strain relief and the like.
  • the coaxial cable will be routed to a time domain reflectometer in use.
  • the conductors 2a, 2b may be copper strips or copper braids formed over the entire width of the sensor arrangement or may be formed from one or more wires.
  • the training is as a copper strip; the use of other conductor materials such as aluminum, stainless steel and the like may be mentioned.
  • the spacing of the conductors 2a, 2b is constant over the entire length of the sensor in the unloaded state, cf. d in Figure 1.
  • the intermediate conductor dielectric 3 is formed in the present case as a closed cell, compressible plastic having an at least largely compression-independent dielectric constant. It is preferred if the inter-conductor dielectric has no piezoelectric properties or has the same.
  • the inter-conductor dielectric 3 is arranged as a continuous layer between conductors 2a, 2b and isolates them from one another in each state of the sensor, that is, both in the unloaded state and in compression.
  • the inter-conductor dielectric is hermetically encapsulated or at least substantially protected from the ingress of moisture or other swelling or dielectric constant-change fluids; the stiffness of the cladding layer is such that point loads on the sensor result in compression of the inter-conductor dielectric extending over a greater length.
  • the use of the sensor arrangement of FIG. 1 is carried out after installation or introduction into a layer in which forces act in one direction of the surface normal of the intermediate layer medium 3.
  • a sensor strip of a given length, here of 1 m at four different points (1, 2, 3, 4 in FIG. 2) along the sensor is loaded with different weights.
  • the load is varied over the course of the experiment, compare the "load sequence" table, which shows the kilogram load during the test.
  • time domain reflectometer It is determined with a time domain reflectometer, as the sensor relies on the task of a steeply sloping voltage pulse at the different loads at different Jobs answers.
  • the time domain reflectometer is connected once (upper figure) on the left and once (middle figure) on the right side of the sensor. The difference of the signals from the left and right side terminals is shown in Figure 2 below.
  • the impedance that is to say the characteristic impedance between conductors 2a, 2b
  • the impedance is constant over the entire sensor length. If a load is exerted on the sensor at one or more points, for example at position 2 with up to 50 kilos, clear impulse reflections result, which are recognizable in the diagrams. These impulse reflections have their cause in the compression of the insulating intermediate conductor medium, which leads to a change in the conductor geometry, in this case to a compression of the conductors 2a to 2b, but without touching them.
  • FIG. 3 shows how a sponge rubber as intermediate conductor dielectric leads to hysteresis.
  • the deformation is shown at different loads and a subsequent relief, in the right half of the figure is shown how the duration of an injected pulse varies depending on a load or discharge.
  • a hysteresis occurs in the used intermediate conductor dielectric.
  • other intermediate conductor media except sponge rubber with lower hysteresis, are preferred.
  • FIG 4 a first sensor with square intermediate conductor medium 3 'is shown, in the middle of which a first conductor 2d extends, which is not wide here, but is designed as a wire.
  • a first conductor 2d extends, which is not wide here, but is designed as a wire.
  • two further conductor wires 2e, 2f are arranged, which lie freely on the outer sides. It can thus be used to measure impulse responses when applying voltage pulses to the pair of conductors (2d 2e), (2d 2f) and (2e 2f).
  • the impulse response of the sensor to pairs (2d 2e) and (2d 2f) respectively indicates a deformation in a different direction.
  • the sensor is therefore sensitive to direction.
  • the impedance ie the characteristic impedance of a pulse propagating along the conductor pair (2e 2f)
  • the impedance ie the characteristic impedance of a pulse propagating along the conductor pair (2e 2f)
  • the properties of the surrounding soil and thus be dependent on the substrate moisture. It is thus possible by simple measurement of different conductor pairs to determine both the direction of force and the soil moisture. This can be advantageous for many applications.
  • the sensor arrangement of FIG. 4 above provides a remedy insofar as several conductors are spirally wound there via an intermediate conductor medium formed here. It can thus be a measurement against the inner conductor, also shown done. A twist is not critical here. By determining the location along which a deformation occurs occurs, then can be closed simultaneously on direction.

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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

Titel : Sensoranordnung
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft das Oberbegrifflieh 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 Ab- Stützungen, 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, das heißt zu Änderungen der Kräfteverteilung im Un- tergrund, 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 entspre- chenden Messungen preiswert möglich sein. Es ist bereits vorgeschlagen worden, Deformationen des Untergrundes über Zeitdomainenreflektometrie (Time Domain Refleσ- tometry, nachfolgend TDR) zu bestimmen. Zur Zeitdomainenreflektometrie sei zunächst auf verschiedene allgemeine Ein- führungen hingewiesen. Erwähnt sei insbesondere „Theorie der Zeitbereichsreflektometrie" von Dieter Dahlmeyer, in elektro- nik industrie 2-2001. In einer Anwendung wird ein steilflan- kiger Impuls in ein Koaxialkabel eingespeist. Ein Koaxialkabel hat eine bestimmte Impedanz, d.h. einen bestimmten WeI- lenwiderstand, 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 Geolo- gists, 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 Materialzusammenset- zung und den Aufbau bestimmt sei. Es wird ein bestimmtes, sσhaumgefülltes Kabel empfohlen. Dieses soll ummantelt sein. Die Deformation des Kabels führe zu Änderungen des Abstandes der inneren und äußeren Leiter. Diese Änderungen hätten wiederum 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 Bewegungs- richtung 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 Bl 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 Di- kes-Water Content Determination using Time Domain Reflecto- metry (TDR) ", veröffentlicht in der 13th Danube-European Conference on Geotechnical Engineering, Ljubljana, Slovenia, Mai 2006. Weiter wird verwiesen auf den Aufsatz „A fast TDR- inversion technique for the reconstruction of spatial soil moisture content" von S. Schlaeger, veröffentlicht in Hydro- logy an Earth System Sciences 9, 481-492, 2005.
Es ist wünschenswert, bei Messungen wie den eingangs erwähnten Druck- und Verformungsrαessungen wenigstens partielle Fortschritte erzielen zu können und/oder angeben zu können, wie preiswerte und/oder zuverlässige Messungen durchführbar sind.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Neues für die gewerbliche Anwendung bereitzustellen.
Die Lösung dieqer Aufgabe wird in unabhängiger Form bean- sprucht. 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 Sensorimpedanz- änderungen 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 komprimierba- ren Isolationsmedium möglich.
Bevorzugt ist es, wenn auch im komprimierten Zustand das Zwi- sσhenleiterdielektrikum 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 Kontaktie- rung der Leiter zu bewirken, wie per se aus dem Stand der Technik bekannt. In einem solchen Fall könnte eine End-Po- sition der Kompressionsbewegung angezeigt werden. In der bevorzugten Variante wird jedoch genau dies verhindert, weil durch eine lokale Kontaktierung von Leitern im Regelfall der- art 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 stär- kere Ableitung gegen Masse längs des Kabels feuchtigkeitsbedingt auftreten würde.
Es ist zugleich möglich, zusätzlich zu dem als komprimierbaren Isolationsmedium ausgebildeten Zwischenleiterdielektri- kum, das gegen Wasser- und/oder Feuchtigkeitsaufnahme geschützt ist, ein zur Feuchtigkeitsaufnahme bestimmtes Zwischenleiterdielektrikum vorzusehen. Dies erlaubt es, gegebe- nenfalls 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, feuchteänderungsgekop- pelten Signalen einerseits und rein statischen oder tektoni- schen 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 Zwi- schenleiterdielektrikumsschicht 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 Va- riante 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 wesentli- che 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 dergleichen 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, das heißt 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 Kom- pressibilität bedingt. Zur Verhinderung des Eindringens von Fluiden und/oder Feuchtigkeit wird typisch ein die Leiter hermetisch umgebender Kunststoff bevorzugt.
- s - Schutz wird auch beansprucht für die Verwendung eines Zeitdo- mainenreflektometriesensors, 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 Tragsicherheitsbeurtei- lung, Schadens- und Materialermüdungsbestimmung für Langzeitmessungen insbesondere im Untertagebau, bevorzugt in feuchte- verteilungskorrigierter Weise, insbesondere zur Trennung zwischen Umgebungsbedingungen wie mit Feuchteänderungen usw. verknüpften Signalen und Änderungen aufgrund z. B. tektoni- scher Gebirgsdrücke und dergleichen. Dies ist z. B. vorteilhaft, wenn rutschungsgefährdete Hänge beobachtet werden sol- len, 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 überprüf- bar. 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 er- fasst 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, son- dem 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 Be- obachtungen prognostizieren lassen, beispielsweise Bohrlochausbrüche, sei erwähnt, da eine derartige Prognostizierung im Regelfall besonders wünschenswert ist.
Die Verwendung der Sensoranordnung zur Erfassung von Druck- Verteilungen 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 Informations- dichte 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 Betriebstempe- ratur erfolgt, eine Anpassung hinsichtlich der erwarteten
Lasten auf den Sensor durch Wahl des Zwischenleiterdielektrikums vorgenommen wird, eine Lastenverteilung zur Vermeidung
- li - punktförmiger Belastungen in bestimmten Fällen vorgenommen wird, besonders temperaturresistente oder chemikalienresis- tente Sensoren eingesetzt werden, was neben geotechnischen Einsatzmöglichkeiten das Spektrum hin zu industriellen Über- wachungen im Anlagenbetrieb signifikant erweitern.
Die Erfindung wird im Folgenden nur beispielsweise unter Bezug auf die Figurenzeichnung beschrieben. In dieser ist dargestellt durch
Fig. 1 eine Sensoranordnung der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 Zeitdomainenreflexionssignale, die bei unterschiedlichen, lokalen Belastungen eines Sensors nach Figur 1 erhalten werden, gemessen einmal von der linken und einmal von rechten Seite her; Fig. 3 ein Beispiel für eine Sensorhysterese bei
Verwendung eines weniger geeigneten Iso- lationsmediums;
Fig. 4 alternative Sensorgeometrien.
Nach Figur 1 umfasst ein allgemein mit 1 bezeichneter Sensor 1 eine Leiteranordnung aus zwei Leitern 2a, 2b, zwischen wel- chen 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 Zwischenleiterdielektri- kum 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 ge- bildet 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 Sensor- anordnung 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 Figur 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, das heißt 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 Figur 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 Figur 2) entlang des Sensors mit unterschiedlichen Gewichten belastet.
Die Belastung wird im Verlauf des Versuchs variiert, vergleiche 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 Figur 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, das heißt 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, beispielswei- se 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 Veränderung der Leitergeometrie führt, hier zu einem Zusammen- pressen 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 Figur 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 schlie- ßen, ohne eine komplizierte Analyse durchführen zu müssen.
In Figur 3 ist dargestellt, wie ein Moosgummi als Zwischenleiterdielektrikum zu einer Hysterese führt. In der linken Hälfte der Kurve ist die Verformung bei unterschiedlichen Be- lastungen 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 auf- tritt. 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 Figur 4 dargestellt. Mit diesen können Feuch- tigkeiten gemessen werden. In Figur 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 beispiels- weise im Erdreich verlegt ist, wird die Impedanz, das heißt 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 un- terschiedlicher Leiterpaare möglich, sowohl die Kraftrichtung als auch die Bodenfeuchte zu ermitteln. Dies kann für viele Anwendungen vorteilhaft sein.
Nachteilig bei dem in Figur 4 unten dargestellten Sensor ist jedoch, dass dieser unbedingt torsionsfrei einzubauen ist, damit die Kraftrichtung sicher bestimmt werden kann. Die Sensoranordnung von Figur 4 oben schafft hier insoweit Abhilfe, als dass dort mehrere Leiter über ein hier rund ausgebildetes Zwischenleitermedium spiralförmig gewickelt sind. Es kann da- mit eine Messung gegen den Innenleiter, gleichfalls dargestellt, erfolgen. Eine Torsion ist hier unkritischer. Durch Bestimmung der Stelle, entlang welcher eine Deformation auf- tritt, 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 In- formationen zu erhalten.
Zusammenfassend wurde gezeigt, dass mit Zeitdomainenreflekto- metrie 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.

Claims

Patentansprüche
1. Sensor mit einer Leiteranordnung und einem Zwischenlei- terdielektrikum, 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.
2. Sensoranordnung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenleiterdielektrikum dazu angeordnet ist, zumindest ein Leiterpaar der Leiteranord- nung auch in seinem komprimierten Zustand voneinander zu isolieren.
3. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenleiterdielektri- kum gegen Wasser- und/oder Feuchtigkeitsaufnahme geschützt ist.
4. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehr als zwei Leiter und/oder mehr als ein Dielektrikum vorgesehen sind.
5. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiteres Dielektrikum zur Feuchtigkeitsbestimmung vorgesehen und/oder ausgebil- det ist.
6. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenleiterdielektrikum sandwichartig zwischen zwei Leiterstreifen angeordnet ist.
7. 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.
8. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiter-/Zwischendielektrikum- anordnung zumindest einseitig, bevorzugt beidseitig eine lastverteilende Versteifungsschicht zugeordnet ist und/oder die Leiterlastverteilung bewirken.
9. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnen eine Ge- samtlänge > 1 m, insbesondere > 5 m, insbesondere bevorzugt > 10 m aufweisen.
10. Sensoranordnung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ein geschäumter Kunststoff als Zwi- schenleiterdielektrikum verwendet wird.
11. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass korrosionsfeste Leiter, insbesondere aus Kupfer und/oder Edelstahl verwendet werden.
12. 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.
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