Zařízení pro detekci vlhkosti dřeva
Článek popisuje systém senzorů sloužících pro detekci zvýšené vlhkosti ve stavebních materiálech, především dřevě. Předpokladem je zabudování sítě senzorů do konstrukčních materiálů dřevostavby a jejich připojení k monitorovací jednotce. Cílem je vyvinout sběrnicový typ senzoru vhodný pro permanentní zabudování do konstrukce již při realizaci stavby. Takový senzorový systém pak umožní včasnou a rychlou detekci zvyšující se vlhkosti a upozorní správce budovy. Primárně budou senzory rozmístěny v kritických místech budovy a v případě zvýšení vlhkosti upozorní na možné problémy. Tím lze přibližně lokalizovat místo vzniku poruchy, zkrátit dobu detekce a značně omezit rozsah i náklady na nutnou sanaci v případě havárie.
1 Úvod
V poslední době se zvyšuje podíl dřevostaveb v celkovém počtu nově postavených budov. Je to dáno, kromě jiného, snahou o využití obnovitelných zdrojů. Všechny tyto stavby musí projít náročnými zkouškami použitých materiálů z hlediska pevnosti, odolnosti proti ohni apod. Nicméně se ukazuje, že mnohem častějším problémem než třeba požár může být problém na vodovodním, odpadním nebo vytápěcím systému, kde dochází k úniku kapaliny. Tento únik, především pokud je malý, je jen velmi obtížně zjistitelný a může trvat několik měsíců či let, než se projeví natolik, aby byl vizuálně patrný. V tomto případě se pak většinou jedná o fatální poškození dřeva dřevokaznými houbami, hnilobou a plísní. Sanace takového poškození pak většinou znamená kompletní výměnu stavebních konstrukcí veliké části či dokonce celého podlaží a je velmi nákladná.
V průběhu užívání budovy dochází k různým změnám vlhkosti uvnitř stavebních konstrukcí. Tyto změny jsou převážně způsobeny klimatickými změnami vlhkosti a teploty, kdy se mění rovnovážná vlhkost dřeva. Kromě těchto přirozených změn se mohou vyskytnout změny způsobené špatnou nebo poškozenou hydroizolací, případně havárií na některém ze systémů, které používají kapalné médium – otopné, vodovodní nebo odpadní systémy. Všechny tyto situace mohou mít náhlý nebo pozvolný průběh. Oproti prudkému zvýšení vlhkosti v objektu, které je většinou vizuálně či jinak patrné, pozvolné unikání kapaliny nemusí být velmi dlouhou dobu vůbec zjistitelné. K objevení takové drobné havárie může dojít až v průběhu řádu měsíců či let, kdy už je ale poškození budovy natolik rozsáhlé, že sanace objektu pak může znamenat kompletní výměnu stavebních konstrukcí v celém podlaží.
V současné době jsou na trhu dostupné přístroje pro měření vlhkosti dřeva v konstrukcích. Nicméně se jedná o přístroje pro odměr aktuálního stavu v dostupných místech konstrukce. Vzhledem k přítomnosti lidské obsluhy a nutného přístupu k dřevěné konstrukci pak tato měření bývají pouze namátková.
Obr. 1 – Principiální schéma systému tvořeného řídicí jednotkou (master) a jednotlivými senzory (node)
Cílem je vyvinout systém pro detekci zvýšené vlhkosti v budovách (způsobené unikající kapalinou), skládající se ze sady kombinovaných senzorů vlhkosti a teploty a řídicího systému. Předpokladem je, že senzory budou už během výstavby zabudovány na kritická místa v budově s ohledem na rozvody vody, odpadů a vytápění, případně dalších vedení, které by mohly v případě poruchy způsobit podmáčení dřevěné konstrukce. Mezi tato kritická místa patří koupelny, toalety, kuchyně, technické místnosti a případně i místa, která přímo sousedí s okolním terénem a hrozí možnost podmáčení v případě poruchy hydroizolace. Na tato předem vytipovaná místa se umístí senzory, které jsou propojeny sběrnicí a umožňují sbírat a shromažďovat data o vlhkosti a teplotě. Z těchto údajů se pak vyhodnotí možnost havárie. Vývoj senzorů je veden snahou o vytvoření kompaktního robustního senzoru s velmi nízkými náklady na realizaci vhodným pro následnou produkci.
2 Princip měření vlhkosti dřeva
Vlhkost dřeva, případně dalších stavebních materiálů, se často měří na základě změn elektrických vlastností materiálu (rezistivita, permitivita, ztrátový úhel atd.) [1]. Hrotové senzory vlhkosti založené na změně rezistivity využívají nepřímé úměry mezi elektrickým odporem a vlhkostí [2]. Většina těchto senzorů se skládá ze dvou kovových hrotů (cca 10–25 mm délky) zaražených přímo do měřeného materiálu ve vzdálenosti řádově několik desítek milimetrů od sebe (20–30 mm). Mezi těmito hroty je pak měřen elektrický odpor. Dřevo je obecně velmi dobrý izolant a hodnota elektrického odporu v závislosti na vlhkosti (pro výše popsané uspořádání) se pohybuje od několika stovek kΩ do několika desítek GΩ [1].
Měření elektrických odporů takto vysokých hodnot je problematické. Klasické metody měření elektrického odporu založené na měření napětí a protékajícího proudu jsou zde nepoužitelné z důvodu nutnosti použití vysokého napětí na měřících elektrodách k vyvolání měřitelného procházejícího proudu. Výhodnější metodou je proto převedení měření vysokého odporu na měření času t (s) potřebného k nabití kondenzátoru C (F) přes rezistor R (Ω) tvořený vlastním odporem materiálu. Metoda vychází ze vztahu pro napětí na kondenzátoru u(t) (V) nabíjeném přes odpor (1):
,
(1)
kde U (V) je napájecí napětí.
Při znalosti napájecího napětí U (V), času t (s), napětí na kondenzátoru v tomto čase u(t) (V) a velikosti kondenzátoru C (F) lze snadno určit měřený odpor R (Ω).
(2)
Obr. 2 – Průběh proudu a napětí při nabíjení kondenzátoru
Nevýhodou této metody je samotné měření napětí na kondenzátoru, neboť i u dobrých měřicích přístrojů s vysokou vstupní impedancí je proud tekoucí do jejich vstupu příliš vysoký, což velmi ovlivňuje průběh nabíjení kondenzátoru a měření tím téměř znemožňuje. Lepší variantou je rostoucí napětí porovnávat s referenční hodnotou a měřit čas potřebný k dosažení této hodnoty. Komparátory (operační zesilovače) mají obecně velmi vysoké vstupní odpory.
Aby bylo možné měření opakovat, je nutné nabitý kondenzátor opět vybít. Toho lze poměrně snadno dosáhnout paralelním připojením tranzistoru, jehož otevřením se zkratují vývody kondenzátoru a kondenzátor se vybije. Tím je obvod připraven pro další měření.
Obě výše zmíněné myšlenky lze společně realizovat použitím monostabilního klopného obvodu (MKO) integrovaného ve známém obvodu 555. Zmíněný obvod je velmi levný a ke své činnosti potřebuje doplnit jen měřicím kondenzátorem, čímž se velmi hodí do low-cost aplikací. Tento obvod má v sobě zabudovaný odporový dělič vytvářející komparační úroveň na hodnotě 2/3 napájecího napětí a pomocí vnitřního tranzistoru obstarává i vybíjení kondenzátoru. Vhodným zapojením lze vstupním impulzem spustit nabíjení kondenzátoru. Na výstupu obvodu je generován impulz s délkou odpovídající času do překlopení komparátoru.
Dosazením komparační úrovně (2/3U) za u(t) do vztahu (2) lze vyjádřit vztah (3) pro hodnotu hledaného odporu R (Ω), který je nezávislý na napájecím napětí U (V).
(3)
Obr. 3 – Principiální schéma inteligentního senzoru vlhkosti
Doplněním MKO řídicím mikrokontrolérem (MCU) a komunikační sběrnicí (BUS) vznikne inteligentní senzor, který je schopen v předem definovaných okamžicích spouštět měření, měřit délku trvání generovaného impulzu, zpracovávat naměřená data a po sběrnici je posílat řídicí jednotce. Vzhledem k tomu, že měření vlhkosti je také významně ovlivněno okolní teplotou [1], je vhodné MCU vybavit externím čidlem teploty.
3 Prototyp zařízení a předběžné výsledky měření
Obr. 4 – Reálné provedení inteligentního senzoru vlhkosti a teploty dřevěných konstrukcí (nahoře – DPS senzoru s měřicími hroty, dole – finální senzor zabudovaný v krabičce)
V první fázi vývoje byl vytvořen prototyp na kontaktním poli, kterým se ověřila použitelnost a funkčnost navrhovaného senzoru. Po úspěšném testování byla připravena druhá verze (Obr. 4), která bude vhodná k dlouhodobým testům. Byla vytvořena a osazena deska plošného spoje (DPS) o rozměrech 21 × 12 mm umožňující vložení do universální plastové krabičky o rozměrech 26 × 17 × 14 mm. Na DPS jsou osazené matice M2,5 umožňující použití dostupných měřicích hrotů. Vše je už od počátku navrhováno se zaměřením (mimo jiné) na nízkou cenu umožňující masové nasazení.
Následující grafy (Obr. 5) ukazují osmihodinové měření vlhkosti vzorku dřeva. Cílem tohoto pokusu byl ověření měřicího principu a celé konstrukce senzoru. Měření probíhalo v 30minutovém intervalu a pokaždé bylo odebráno 16 vzorků dat. Pokusným vzorkem byl vzorek vysušeného měkkého smrkového dřeva, u nějž lze předpokládat konstantní vlhkost v celém průřezu. Měření probíhalo v obytné místnosti za pokojové teploty, která během dne kolísala. Vzhledem k tomu, že prototyp nebyl ještě vybaven senzorem teploty, nelze z naměřených dat zatím určit vliv teploty na hodnotu elektrického odporu dřeva, avšak dá se předpokládat, že v tomto pokusu byl vliv teploty dominantní. Pro ověření funkčnosti senzoru to však není podstatné.
Obr. 5 – Naměřené hodnoty dlouhodobého měření elektrického odporu na vzorku suchého smrkového dřeva
4 Závěr
Cílem příspěvku bylo seznámit čtenáře s navrhovaným systémem pro monitorování vlhkosti stavebních konstrukcí, který by umožňoval dlouhodobou diagnostiku stavu dřevěných případně dalších např. sádrokartonových či betonových konstrukcí budovy. Podařilo sestavit a otestovat jednoduchý prototyp senzoru vlhkosti, který je již možno použít pro dlouhodobé testování s použitelnými výsledky. Princip měření je založen na měření elektrického odporu mezi dvěma hrotovými kontakty. Měření velkého odporu je převedeno na měření doby nabíjení kondenzátoru.
Na základě prvních výsledků na prototypu probíhá vývoj finální verze inteligentního senzoru, který je ve fázi oživování a testování. Tento senzor již bude možné zapojit do senzorové sítě, kterou bude tvořit, kromě několika již zmíněných senzorů, také řídicí jednotka. Ta bude provádět sběr naměřených údajů z jednotlivých senzorů, jejich zpracování a následnou komunikaci s nadřazeným systémem.
Tento příspěvek vznikl za podpory Evropské unie, projektu OP VaVpI č. CZ.1.05/2.1.00/03.0091 – Univerzitní centrum energeticky efektivních budov.
Literatura
- [1] James W. L.: Electric Moisture Meters for Wood, 1988, United States Department of Agriculture, Forest Service, Forest Products Laboratory, General Technical Report FPL-GTR-6, http://www.fpl.fs.fed.us/documnts/fplgtr/fplgtr06.pdf
- [2] Duff J. E.: A Probe for Accurate Determination of Moisture Content of Wood Products in Use, 1966, U.S. Forrest Service Research Note FPL-0142, http://www.fpl.fs.fed.us/documnts/fplrn/fplrn0142.pdf
- [3] Wood Handbook – Wood as an Engineering Material, 2010, U.S. Forrest Service, General Technical Report FPL-GTR-190, http://www.fpl.fs.fed.us/documnts/fplgtr/fpl_gtr190.pdf
The article describes sensor system for increased moisture detection in construction materials, especially in the wood. The assumption is that a sensor network is built-in into the construction elements of the building and it is connected to a central unit. The goal is to develop a sensor suitable for permanent installation in the construction during realization of the building. The sensor network enables early warning and fast detection of increasing moisture in the building and alert building owner or operator. The sensors will be placed at critical building’s locations with high risk of plumbing accidents. Using the installed sensor system it is possible approximately locate the place of failure, shorten detection time and substantially reduce damage and reconstruction costs.
