Skuteczne prowadzenie prac obejmujących osuszanie budynków z wilgoci uzależnione jest od prawidłowej diagnostyki. W szczególności należy określić kierunki napływu wilgoci oraz jej rozkład w strukturze muru. Na rynku jest wiele różnych urządzeń wykorzystywanych do badania stanu wilgotności murów. Nie spełniają one jednak wszystkich oczekiwań fachowców. Firma Aquapol Polska CPV ze Świebodzic, działając od lat w tej branży, prowadzona przez Krzysztofa Tabisia podjęła się wyzwania udoskonalenia technik i metod badawczych.
Prace rozpoczęto od zlecenia pracownikom naukowym jednostek badawczych przeprowadzenie specjalistycznych badań z zakresu technik mikrofalowych, zaś ekspertom z firmy MediSensonic S.A powierzono zaprojektowanie i wykonanie analizatora sieciowego, czyli serca urządzenia do diagnostyki wilgotności murów.
Jakie znaczenie ma diagnostyka w badaniu zawilgocenia budynków?
Diagnostyka ma kluczowe znaczenie w skutecznym osuszaniu budynków z wilgoci. Jest warunkiem decydującym o sukcesie całego złożonego przedsięwzięcia. W celu doboru odpowiedniej metody, zabezpieczającej mury przed zjawiskiem podciągania kapilarnego wody z gruntu, należy w pierwszej kolejności zidentyfikować rzeczywisty stan zawilgocenia obiektu. Dostępne na rynku urządzenia, w tym mikrofalowe, które zostały przetestowane w ramach wieloletniej praktyki firmy, są wartościowe jako nie powodujące uszkodzeń murów, co ma szczególne znaczenie przy pracach na obiektach zabytkowych. Nie spełniały one jednak naszych oczekiwań, ponieważ cechowały się dużymi błędami pomiarowymi, a także były wrażliwe na obecne w murach sole. Taka sytuacja zainspirowała mnie do poszukiwania innowacyjnych rozwiązań w zakresie wiarygodnych nieinwazyjnych pomiarów zawilgocenia. Stosowane dotychczas urządzenia pomiarowe pozwalają na dokonanie wiarygodnego pomiaru jedynie w odniesieniu do zewnętrznej powierzchni muru, zaś do identyfikacji kierunku napływu wilgoci i jej źródła konieczne jest ustalenie jej wartości w przekroju. Powyższa niedoskonałość istniejących czujników wynika z faktu zniekształcania wiązki mikrofalowej poprzez duże zawilgocenie i zasolenie materiału. Ponieważ dla celów diagnostycznych stanowi to istotną wadę poszukiwałem skuteczniejszych rozwiązań. Duże nadzieje odnośnie badania wilgotności wiązałem z udoskonaleniem metody mikrofalowej, dlatego podjęliśmy z moimi elektronikami próbę opracowania takiego urządzenia we własnym zakresie, niestety to się nie powiodło, nasze zaplecze badawcze nie było wówczas wystarczające.
Z jakiego powodu?
Doświadczenie i wiedza praktyczna to za mało, żeby skonstruować urządzenie mikrofalowe do analizowania stanu zawilgocenia murów. Do tego potrzebna jest niezwykle profesjonalna wiedza i bardzo specjalistyczne badania naukowe z zakresu techniki mikrofalowej. Ja jestem z wykształcenia mechanikiem. Opracowanie analizatora mikrofalowego okazało się zadaniem niezwykle wymagającym. To, co chcieliśmy osiągnąć, nie pokrywało się z uzyskiwanymi możliwościami opracowywanych urządzeń pomiarowych. Różnice były na tyle istotne, że dyskredytowały kolejne przyjmowane założenia i korekty. Sporo czasu straciłem na szukanie i analizowanie dostępnej literatury naukowej, żeby ustalić przyczynę tych niepowodzeń. Zrozumiałem, że badacze nie dzielą się w swoich publikacjach szczegółami technicznymi z których można w bezpośredni sposób skorzystać do celów praktycznych. Większość przedstawionych informacji ma charakter naukowy i służy rozwojowi nauk podstawowych. W końcu trafiłem na artykuł dotyczący diagnozowania zmian nowotworowych w ciele człowieka, przy wykorzystaniu techniki mikrofalowej. Pomyślałem, że skoro rozwiązano problemy propagacji mikrofal przez tkankę ludzką i obrazowania zmian, które mają wielkość np. od 4 do 6 cm, to pojawia się szansa na wykonanie urządzenia badawczego, które pozwoli wniknąć w strukturę muru. Do tego wilgotność ciała ludzkiego zawiera się w granicach 60%, czyli jest znacznie większa niż występująca zazwyczaj w obiektach budowlanych. Rozpocząłem wtedy poszukiwania ośrodków naukowych i pracowników nauki z którymi mógłbym podjąć takie badania. Szczęście mi dopisało. Znalazłem wybitnych uczonych w Wojskowej Akademii Technicznej oraz Politechnice Lubelskiej, którzy oceniając wagę problematyki zgodzili się na taką współpracę.
Dlaczego do przeprowadzenia badań potrzebna była wiedza naukowców z tych uczelni?
Przeglądając literaturę fachową natknąłem się na pracę naukową prof. Zbigniewa Suchoraba z Politechniki Lubelskiej, który zajmuje się inżynierią środowiska, a także detekcją wilgoci w murach za pomocą technik elektrycznych. Kierunki badań, które prowadził były bardzo zbieżne z moimi poszukiwaniami. Spotkałem się z profesorem i w rozmowie poruszyliśmy zagadnienia związane z wykrywaniem wilgoci w murach za pomocą urządzeń mikrofalowych, w których sygnał analizowany był w funkcji czasu. Podstawą działania takiego urządzenia jest emisja sygnału przez oscylator, a następnie analiza sygnału powracającego z czujnika zainstalowanego przy powierzchni muru. Sygnał powracający jest częściowo tłumiony, a także przesunięty o określony interwał czasowy w zależności od stopnia wilgotności materiału. Mierząc czas jaki upływa pomiędzy impulsem wysłanym do czujnika, a sygnałem powracającym możemy określić podstawowe wielkości elektryczne muru, które są zależne od wilgotności. Tego typu rozwiązanie jest stosunkowo proste jeśli chodzi o analizę sygnału mikrofalowego. Nie pozwala ono jednak na bardziej wnikliwą analizę struktury muru, szczególnie w przypadku murów o skomplikowanej budowie i dotkniętych problemem zasolenia, które jest przyczyną zwiększonego tłumienia sygnału mikrofalowego. Wady tej nie posiadają urządzenia pozwalające na analizę sygnału mikrofalowego w funkcji częstotliwości. Badań tego typu prof. Suchorab bezpośrednio nie prowadził, dlatego zwróciłem się w tej sprawie do specjalistów z Wojskowej Akademii Technicznej. Różnica pomiędzy pomiarami w funkcji czasu, a częstotliwości wynika z różnicy sygnału uzyskanego przez analizator. Wykres w funkcji czasu jest bardziej intuicyjny, widzimy na nim wyraźnie punkt wejścia i wyjścia z muru, zaś różnica czasu pomiędzy pikami sygnału i poziom ich tłumienia świadczy o wilgotności i zasoleniu badanego ośrodka. W przypadku sygnału w funkcji częstotliwości te zależności nie są widoczne bezpośrednio, a do jego analizy stosowane muszą być zaawansowane algorytmy pozwalające na uzyskanie potrzebnych parametrów elektrycznych. Informacje przeze mnie przedstawione ukazują jak bardzo realizowane przez nas zagadnienie jest skomplikowane i wymagało od naszych zespołów wykonania wielu badań materiałów budowlanych zarówno w funkcji czasu jak i częstotliwości, tak aby zbudować analizator mikrofalowy do diagnozowania zawilgocenia w murach, który by nas satysfakcjonował.
Jakie znaczenie ma taka precyzja w mierzeniu wilgotności muru?
Dokładne ustalenie poziomu i rozkładu zawilgocenia muru jest kluczowym zagadnieniem, który decyduje o wyborze metody osuszania budynku. Drugim istotnym parametrem jest, stan zasolenia materiału. Występujące w murze nagromadzone sole bardzo mocno zakłócają wynik wskazań urządzeń pomiarowych. W badaniach murów metodami mikrofalowymi do określania wilgotności służy przenikalność elektryczna (ε), która jest parametrem materiałowym zależnym od budowy i składu chemicznego, zaś w identyfikacji soli kluczową rolę odgrywa przewodnictwo elektryczne (σ), a w zasadzie poziom jego tłumienia. Algorytm przetwarzający dane w funkcji częstotliwości wyznacza wartości przenikalności i przewodnictwa elektrycznego. Dane te uzyskane na podstawie wielu powtórzeń odczytów sygnału dla różnych poziomów wilgotności i zasolenia pozwalają na opracowanie modeli kalibracyjnych, które w rezultacie pozwolą na końcowe określenie zawartości wody w procentach. Jest to moje najprostsze omówienie naszych działań, należy jednak podkreślić, że cały proces jest bardzo skomplikowany i do tego potrzebna jest niezwykle profesjonalna znajomość tych zagadnień. Połączenie wiedzy prof. Zbigniewa Suchoraba z Politechniki Lubelskiej z wiedzą prof. Waldemara Suska, kierownika Zakładu Mikrofal w Instytucie Radioelektroniki Wojskowej Akademii Technicznej i prof. Zenona Szczepaniaka z tego samego instytutu, okazał się strzałem w dziesiątkę, stając się największym sukcesem moich poszukiwań. To są wybitni specjaliści zajmujący się szeroko pojętą techniką mikrofalową, którzy przeprowadzili serię badań, niezbędnych do kontynuowania prac przy opracowaniu prototypu analizatora.
Potrzebna była do tego dalsza współpraca naukowców z obu uczelni?
Współpraca jest cały czas kontynuowana między naukowcami z WAT i Politechniki Lubelskiej oraz laboratorium badawczym, które uruchomiłem przed trzema laty dla potrzeb realizowanego projektu, w siedzibie mojej firmy w Świebodzicach. Wspólnie opracowaliśmy wniosek do NCBR o dofinansowanie badań w projekcie „Głowica radarowa do pomiaru parametrów środowiskowych przegrody budowlanej z wykorzystaniem szerokopasmowych sygnałów mikrofalowych”. Dzięki środkom z NCBR możemy wykonywać te wszystkie skomplikowane badania, które są już na bardzo zaawansowanym poziomie. Na podstawie badań prowadzonych w ramach projektu, zespół najwyższej klasy specjalistów z WAT, skonstruował elementy mikrofalowe, w tym antenę do prototypowego urządzenia badającego stan wilgotności w murach. Opracowanie algorytmu, jako głównego rozwiązania, które przelicza dane otrzymywane poprzez antenę z analizatora, to bezpośrednia zasługa wybitnych profesorów Zenona Szczepaniaka i Waldemara Suska. Do zadań Politechniki Lubelskiej należało przygotowanie i sparametryzowanie bardzo dokładnych próbek potrzebnych do zbudowania obrazu mikrofalowego zawilgoconego elementu. Zespół badawczy sprawdził się w tej roli fenomenalnie. Bardzo dużego wsparcia udziela nam prof. Zbigniew Suchorab, który pomaga też zespołowi badawczemu w naszym laboratorium w Świebodzicach w wielu zagadnieniach, związanych z badaniami próbek materiałów. Każdy krok wymaga bowiem niebywale szerokiej wiedzy naukowej. Członkowie naszego zespołu robili badania in situ, a następnie te próbki, przewozili do Wojskowej Akademii Technicznej i tam na bardzo precyzyjnych urządzeniach, dokonywano parametryzacji i budowano obrazy mikrofalowe. Aktualnie kończymy proces kalibracji naszych mierników na materiałach przygotowanych w warunkach laboratoryjnych i w najbliższym czasie zaczynamy już próby na zawilgoconych obiektach rzeczywistych. Osiągnęliśmy już bardzo dużo, ale sporo jeszcze przed nami. Wyniki badań posłużyły do opracowania prototypu analizatora przez zespół badawczo-rozwojowy w firmie MediSensonic.
Specjalnością firmy MediSensonic S.A. są urządzenia do diagnostyki medycznej z wykorzystaniem technik mikrofalowych. Jak zespół sobie poradził z opracowaniem analizatora do badania wilgotności murów?
To jest najlepsza, w mojej ocenie, na rynku firma technologiczna, która tworzy urządzenia oparte na podzespołach mikrofalowych, dlatego powierzyliśmy jej to zadanie. Nie znalazłem w Polsce innej firmy o podobnych kompetencjach jak MediSensonic i takim poziomie technologicznym. Elementy mikrofalowe które opracowali profesorowie z WAT są podstawą do budowy analizatora. W te prace zaangażowany jest też mój zespół pod kierunkiem inżyniera Łukasza Nowaka. Specjaliści wspólnie pracują nad tym urządzeniem, które jest już gotowe do przeprowadzania testów. Nadal jest to jednak prototyp, który doskonale spisuje się w warunkach laboratoryjnych, ale jeszcze nie wiemy jak sprawdzi się w diagnostyce zawilgoconych murów in situ. Wszystko to, co robimy jest pokonywaniem kolejnych kroków milowych, w opracowaniu sprzętu, który będzie pozbawiony wad w identyfikowaniu faktycznego stanu zawilgocenia. Im bardziej będzie precyzyjny odczyt z czujników, tym skuteczniejsze będzie projektowanie i realizowanie osuszania budynków. W tym procesie bardzo ważne jest także ustalenie składu chemicznego materiałów budowlanych, zapraw murarskich, tynków. Od zdefiniowania ilości i rodzaju soli (chlorków, siarczanów, azotanów czy węglanów) zależy dobór odpowiednich preparatów na etapie renowacji. Jeśli się tego nie zrobi, to po przeprowadzonej renowacji tynk zacznie szybko odpadać i obiekt będzie wyglądał jak przed remontem, a poniesione nakłady zostaną zmarnowane. W tych wszystkich działaniach jesteśmy na bardzo dobrej drodze do osiągnięcia zamierzonego celu, jednak na sukces całego przedsięwzięcia musimy jeszcze trochę poczekać. Skupiamy się teraz na końcowej kalibracji urządzenia, zbudowanego przez MediSensonic i po tej kalibracji, będziemy dokonywać konkretnych pomiarów na zawilgoconych obiektach. To dla wszystkich partnerów tego skomplikowanego przedsięwzięcia będzie bardzo ekscytujący moment. Na ten końcowy rezultat czekają też inne firmy, które zajmują się osuszaniem budynków. Mam satysfakcję, że to co sobie wymarzyłem staje się pomału rzeczywistością.
Rozmawiała Jolanta Czudak
